JP5368507B2 - Surface characteristic analysis system with self-calibration function - Google Patents

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Abstract

Two phase modulators or polarizing elements are employed to modulate the polarization of an interrogating radiation beam before and after the beam has been modified by a sample to be measured. Radiation so modulated and modified by the sample is detected and up to 25 harmonics may be derived from the detected signal. The up to 25 harmonics may be used to derive ellipsometric and system parameters, such as parameters related to the angles of fixed polarizing elements, circular deattenuation, depolarization of the polarizing elements and retardances of phase modulators. A portion of the radiation may be diverted for detecting sample tilt or a change in sample height. A cylindrical objective may be used for focusing the beam onto the sample to illuminate a circular spot on the sample. The above-described self-calibrating ellipsometer may be combined with another optical measurement instrument such as a polarimeter, a spectroreflectometer or another ellipsometer to improve the accuracy of measurement and/or to provide calibration standards for the optical measurement instrument. The self-calibrating ellipsometer as well as the combined system may be used for measuring sample characteristics such as film thickness and depolarization of radiation caused by the sample.

Description

本発明は、一般に半導体のような試料の表面特性を測定するためのシステムに関し、より詳細には自己較正機能を備えたそのようなシステムに関する。   The present invention relates generally to a system for measuring surface properties of a sample, such as a semiconductor, and more particularly to such a system with a self-calibration function.

本出願は、1999年2月9日出願の米国特許出願第09/246,922号(特許文献1)の一部継続出願である。   This application is a continuation-in-part of US patent application Ser. No. 09 / 246,922 filed on Feb. 9, 1999.

分光光度計およびエリプソメータは、半導体のような基板上の単層または複層の膜厚および屈折率などの表面特性の測定に使用されてきた。半導体上に一般的に見られる材料としては、酸化物、窒化物、ポリシリコン、チタンおよびチタン窒化物が含まれる。エリプソメータは、単波長または広帯域光源、偏光子、変調器、解析器および少なくとも1つの強度検出器を利用できる。このタイプの従来のエリプソメータにおいては、光源からの光が変調され、検出器により検出される。検出器信号は、エリプソメトリックパラメータを計算するために解析される。このタイプのエリプソメータは、例えば、米国特許第5,608,526号(特許文献2)に記載されている。   Spectrophotometers and ellipsometers have been used to measure surface properties such as film thickness and refractive index of single or multiple layers on a substrate such as a semiconductor. Commonly found materials on semiconductors include oxides, nitrides, polysilicon, titanium and titanium nitride. The ellipsometer can utilize a single wavelength or broadband light source, a polarizer, a modulator, an analyzer and at least one intensity detector. In this type of conventional ellipsometer, light from a light source is modulated and detected by a detector. The detector signal is analyzed to calculate ellipsometric parameters. This type of ellipsometer is described, for example, in US Pat. No. 5,608,526.

偏光解析測定は、温度変化および機械的振動のような環境に影響される。この目的のため、エリプソメータはそのような環境の影響を明らかにするため定期的に較正される。厚さおよび光学的特性が分かっている標準試料が較正の間使用されてきた。しかしながら、半導体デバイスの絶え間ないダウンサイジングに伴い、厚さが数オングストロームオーダーの皮膜層を測定できる超高感度エリプソメータが開発された。これらのシステムは、正確な較正のために薄膜を有する標準試料を必要とする。そのような薄膜標準試料が使われる時には、微小な酸化または汚染でさえも影響しかつ結果として重大な較正エラーを生じ得る。従って、より優れた較正特性を備えたエリプソメータのような改良された表面光学測定システムを提供することが望ましい。国際出願第PCT/US98/11562号(特許文献3)には、安定波長較正エリプソメータが、標準試料上の膜厚を正確に決定するために用いられている。較正エリプソメータからの測定結果は、薄膜光学測定システム中の他の光学測定装置の較正に用いられる。しかしながら、これを行なうには、薄膜光学測定システムを測定用に用いるたびに標準試料を較正エリプソメータで較正する必要があり、そのためこの手順が面倒になることがある。さらに、標準試料上の1つまたは複数の皮膜の特性が、特に較正手順のすぐ後にすべての測定がなされるのでない場合には、較正の時間と測定の時間との間に変わってしまいかねない。   Ellipsometric measurements are sensitive to environments such as temperature changes and mechanical vibrations. For this purpose, ellipsometers are periodically calibrated to account for such environmental effects. Standard samples of known thickness and optical properties have been used during calibration. However, with the continuous downsizing of semiconductor devices, an ultrasensitive ellipsometer that can measure a coating layer with a thickness on the order of several angstroms has been developed. These systems require a standard sample with a thin film for accurate calibration. When such thin film standards are used, even minor oxidation or contamination can affect and result in significant calibration errors. Accordingly, it would be desirable to provide an improved surface optical measurement system such as an ellipsometer with better calibration characteristics. In International Application No. PCT / US98 / 11562, a stable wavelength calibration ellipsometer is used to accurately determine the film thickness on a standard sample. The measurement results from the calibration ellipsometer are used to calibrate other optical measurement devices in the thin film optical measurement system. However, to do this, it is necessary to calibrate the standard sample with a calibration ellipsometer each time the thin film optical measurement system is used for measurement, which can be cumbersome. In addition, the properties of one or more coatings on the standard sample may change between calibration and measurement times, especially if not all measurements are made immediately after the calibration procedure. .

米国特許第5,416,588号(特許文献4)には、十分小さい位相変調(通常、3〜4°のオーダー)が光弾性変調器(PEM)によって適用される別のアプローチが提示されている。位相変調を数度に制限することによって、検出可能な信号は比例して減少し、それによって米国特許第5,416,588号(特許文献4)におけるスキーマの信号対雑音比は多くの用途にとって望ましいレベル以下になり得る。小さい位相変調のみを使うことにより、測定システム自身のパラメータについて得られる情報量は限定され、それによりいくつかのシステムおいて重要なシステムパラメータのすべてを特徴付けることが不可能になり得る。   US Pat. No. 5,416,588 presents another approach where sufficiently small phase modulation (typically on the order of 3-4 °) is applied by a photoelastic modulator (PEM). Yes. By limiting the phase modulation to a few degrees, the detectable signal is reduced proportionally, so that the signal-to-noise ratio of the schema in US Pat. No. 5,416,588 is for many applications. May be below desired level. By using only small phase modulation, the amount of information obtained about the parameters of the measurement system itself is limited, which may make it impossible to characterize all the important system parameters in some systems.

上記のシステムのどれも完全に満足のいくものではない。従って、上記の困難が存在しない改良された較正特性を備えたエリプソメータを提供することが望ましい。自己較正機能を備えたエリプソメータを提供することが特に望ましい。   None of the above systems are completely satisfactory. Accordingly, it would be desirable to provide an ellipsometer with improved calibration characteristics that do not have the above difficulties. It is particularly desirable to provide an ellipsometer with a self-calibration function.

米国特許出願第09/246,922号US patent application Ser. No. 09 / 246,922 米国特許第5,608,526号US Pat. No. 5,608,526 国際出願第PCT/US98/11562号International Application No. PCT / US98 / 11562 米国特許第5,416,588号US Pat. No. 5,416,588 米国特許第4,306,809号US Pat. No. 4,306,809 米国特許第5,747,813号US Pat. No. 5,747,813

"ANALYSIS OF SEMICONDUCTOR SURFACES WITH VERY THIN NATIVE OXIDE LAYERS BY COMBINED IMMERSION AND MULTIPLE ANGLE OF INCIDENCE ELLIPSOMETRY", Ivan OHLIDAL and Frantisek LUKES," Applied Surface Science 35 (1988-89) 259-273, North Holland, Amsterdam"ANALYSIS OF SEMICONDUCTOR SURFACES WITH VERY THIN NATIVE OXIDE LAYERS BY COMBINED IMMERSION AND MULTIPLE ANGLE OF INCIDENCE ELLIPSOMETRY", Ivan OHLIDAL and Frantisek LUKES, "Applied Surface Science 35 (1988-89) 259-273, North Holland, Amsterdam "Rotating-compensator multichannel ellipsometry for characterization of the evolution of nonuniformities in diamond thin-film growth," Joungchel Lee et al., Applied Physics Letters, Vol. 72, No. 8, February 23, 1998, pp. 900-902"Rotating-compensator multichannel ellipsometry for characterization of the evolution of nonuniformities in diamond thin-film growth," Joungchel Lee et al., Applied Physics Letters, Vol. 72, No. 8, February 23, 1998, pp. 900-902

自己較正機能を備えるエリプソメータが提案される。時間の経過につれてまたは環境要因に起因して変化し得るエリプソメータシステムパラメータを較正する代わりに、これらは、エリプソメトリックパラメータと共にエリプソメータで測定されたデータから導出し得る。従って、標準試料または較正エリプソメータの必要は皆無である。ユーザが行なう必要があることは、エリプソメトリックパラメータの測定精度に影響し得るシステムパラメータのどのような変更も考慮し得るように、システムパラメータをエリプソメトリックパラメータと共に導出することだけである。システムパラメータは、エリプソメトリックパラメータが導出されるのと同じデータから導出し得るので、較正プロセスと測定プロセスとの間でシステムパラメータが同じままであったと仮定する必要はなく、システムパラメータにおけるどのような変化も正確に説明し得る。本発明はまた、小さい位相変調に限定されない。従って、測定器の信号対雑音比は、広範なシステムおよび用途における自己較正に十分である。   An ellipsometer with a self-calibration function is proposed. Instead of calibrating ellipsometer system parameters that may change over time or due to environmental factors, they can be derived from data measured with the ellipsometer along with ellipsometric parameters. Therefore, there is no need for a standard sample or calibration ellipsometer. All the user needs to do is derive the system parameters along with the ellipsometric parameters so that any changes in the system parameters that can affect the measurement accuracy of the ellipsometric parameters can be taken into account. Since the system parameters can be derived from the same data from which the ellipsometric parameters are derived, there is no need to assume that the system parameters remained the same between the calibration process and the measurement process. Changes can also be explained accurately. The present invention is also not limited to small phase modulation. Thus, the signal-to-noise ratio of the instrument is sufficient for self-calibration in a wide range of systems and applications.

好ましい実施態様においては、直線的に偏光された成分を有する放射のビームが試料に供給される。試料によって変更されたビームからの放射が検出される。放射のビームの偏光はその検出に先がけて変調され、試料の1つ以上のエリプソメトリックパラメータおよび上記のプロセスで用いられたシステムの1つ以上のパラメータが変調の大きさについての制限なしで導出される。   In a preferred embodiment, a beam of radiation having a linearly polarized component is provided to the sample. Radiation from the beam modified by the sample is detected. The polarization of the beam of radiation is modulated prior to its detection, and one or more ellipsometric parameters of the sample and one or more parameters of the system used in the above process are derived without limitation on the magnitude of the modulation. The

従来のエリプソメータにおいては、実質的に非偏光の放射が光源により偏光子に供給され、放射が試料に適用される前にその放射を偏光させ、偏光されたビームからの放射は、試料による変更後にその放射が検出器に適用される前に解析器に渡される。従来のスキーマにおいては、偏光子あるいは解析器の一方が回転されるが両方ともではない。本発明に関連した側面における1つの改良されたデザインとして、放射のビームが、試料への適用前に第1の回転偏光子を通される。試料による変更後のビームからの放射も、変調されたビームを提供するために、第2の回転偏光子により変調される。変調されたビームからの放射は検出器により検出される。検出器出力から、試料の1つ以上のエリプソメトリックパラメータが得られる。好ましくは、システムパラメータならびに1つ以上のエリプソメトリックパラメータが、システムを自己較正しかつ測定精度を高めるために、検出された放射から導出される。また好ましくは、放射のビームは、放射源と検出器との間の固定偏光子を通される。   In conventional ellipsometers, substantially unpolarized radiation is supplied to the polarizer by the light source, polarizing the radiation before the radiation is applied to the sample, and the radiation from the polarized beam is changed after modification by the sample. The radiation is passed to the analyzer before it is applied to the detector. In the conventional schema, either the polarizer or the analyzer is rotated, but not both. As one improved design in aspects related to the present invention, the beam of radiation is passed through a first rotating polarizer prior to application to the sample. Radiation from the modified beam by the sample is also modulated by the second rotating polarizer to provide a modulated beam. Radiation from the modulated beam is detected by a detector. From the detector output, one or more ellipsometric parameters of the sample are obtained. Preferably, system parameters as well as one or more ellipsometric parameters are derived from the detected radiation in order to self-calibrate the system and increase measurement accuracy. Also preferably, the beam of radiation is passed through a fixed polarizer between the radiation source and the detector.

さらに別の改良されたデザインとして、偏光成分を有するビームからの放射が試料に供給される。試料により変調されたビームからの放射が検出される。ビームからの放射は試料による変更の前または後に変調されるが、回転偏光要素によるその検出の前である。検出される変調放射も、その検出に先がけて固定直線偏光子を通される。次に、検出された放射から、試料の1つ以上のエリプソメトリックパラメータが導出され得る。   As yet another improved design, radiation from a beam having a polarization component is provided to the sample. Radiation from the beam modulated by the sample is detected. The radiation from the beam is modulated before or after modification by the sample, but before its detection by the rotating polarization element. The detected modulated radiation is also passed through a fixed linear polarizer prior to its detection. Next, one or more ellipsometric parameters of the sample can be derived from the detected radiation.

エリプソメータの測定精度に影響する別の要因は、試料の傾きまたは試料の高さのバラツキに起因する焦点の変化である。従来の偏光解析法では、集束精度および試料の傾きを検出するために用いられる光学パスは、偏光解析測定のために用いられるパスとは別個のものである。これは、2つのサブシステム間のドリフトまたは心狂いに起因する誤差を結果的に生じる。本発明は、検出器に向けられた放射の一部を、試料の傾きあるいは試料の高さにおける変化のような要因に起因する集束における不正確さを検出するための感受検出器に転用することを意図する。この特徴は、偏光解析ならびに分光測光法のような他の表面光学測定システムにおいて用い得る。   Another factor that affects the measurement accuracy of the ellipsometer is the change in focus due to sample tilt or sample height variation. In conventional ellipsometry, the optical path used to detect focusing accuracy and sample tilt is separate from the path used for ellipsometry measurements. This results in errors due to drift or upset between the two subsystems. The present invention diverts a portion of the radiation directed at the detector to a sensitive detector for detecting inaccuracies in focusing due to factors such as sample tilt or changes in sample height. Intended. This feature can be used in other surface optical measurement systems such as ellipsometry as well as spectrophotometry.

半導体製造では、偏光解析測定に用い得る小さい電気接触パッドをウェハ上に確保することがしばしば行なわれ、その場合、その領域はしばしば四角形である。偏光解析における照明ビームは、典型的には斜めの角度で試料に向けられる。従って、もし照明ビームが円形断面を有していれば、結果的に試料上の照明スポットは楕円形になる。半導体上に偏光解析用に確保された正方形パッドのサイズが小さいことがあるので、そのようなパッド内に楕円形スポットを収めることは難しいことがある。試料上に照明ビームを集束するために円柱対物レンズを用いると、これには楕円形スポットを平坦にし、パッド境界内にうまく収める効果がある。好ましくは、円柱対物レンズは、形が実質的に円形のスポットに照明ビームを集束する。   In semiconductor manufacturing, it is often done to keep small electrical contact pads on the wafer that can be used for ellipsometric measurements, in which case the area is often square. The illumination beam in ellipsometry is typically directed at the sample at an oblique angle. Therefore, if the illumination beam has a circular cross section, the resulting illumination spot on the sample will be elliptical. Since the size of a square pad reserved for ellipsometry on a semiconductor may be small, it may be difficult to fit an elliptical spot within such a pad. If a cylindrical objective lens is used to focus the illumination beam on the sample, this has the effect of flattening the elliptical spot and well within the pad boundary. Preferably, the cylindrical objective lens focuses the illumination beam into a spot that is substantially circular in shape.

上述のエリプソメータは、試料を測定するための別の光学計測器と共に用いるのが有利である。好ましくは、エリプソメータおよび他の光学計測器の出力は、試料情報ならびに測定精度を高めるためのエリプソメータのパラメータを導出するために用い得る。ある1つの用途においては、組み合せシステムを、試料の膜厚情報および試料により引き起こされた放射の偏光解消の測定に用い得る。導出された偏光解消により、表面粗さのような試料特性を示し得る。   The ellipsometer described above is advantageously used with another optical instrument for measuring the sample. Preferably, ellipsometer and other optical instrument outputs can be used to derive sample information and ellipsometer parameters to enhance measurement accuracy. In one application, the combination system may be used to measure sample film thickness information and the depolarization of radiation caused by the sample. Derived depolarization can exhibit sample properties such as surface roughness.

別の方法として、エリプソメータの様々な各構成を単独で膜厚および試料により引き起こされた偏光解消の測定に、同じ測定出力からエリプソメータのシステムパラメータを導出してまたはしないで、用いることがでる。   Alternatively, the various configurations of the ellipsometer can be used alone to measure the film thickness and the depolarization caused by the sample, with or without deriving the ellipsometer system parameters from the same measurement output.

説明を簡明にするため、本出願において同一の構成要素は同じ番号により特定される。   For simplicity of description, identical components are identified by the same numbers in this application.

本発明の第1の実施態様を例示する2つの位相リターダを用いるエリプソメータを示す。1 shows an ellipsometer using two phase retarders illustrating a first embodiment of the present invention. 図1のシステムの検出器出力における時間の関数としての検出器信号の例を示すグラフプロットである。2 is a graph plot illustrating an example of a detector signal as a function of time at the detector output of the system of FIG. 本発明の第2の実施態様を例示する2つの回転偏光要素を用いる自己較正エリプソメータを示す。Fig. 4 shows a self-calibrating ellipsometer using two rotating polarization elements illustrating a second embodiment of the invention. 図3のシステムの検出器出力を例示する時間経過に伴う検出器信号のグラフプロットである。4 is a graph plot of detector signal over time illustrating the detector output of the system of FIG. 試料に向けられた放射の偏光を変更させる種々の要素の角度定義を例示する概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the angular definition of various elements that change the polarization of radiation directed at a sample. 本発明を例示するための図1および図3のシステムにおけるエリプソメトリックパラメータおよびシステムパラメータを導出する方法を示すフローチャートである。4 is a flow chart illustrating a method for deriving ellipsometric parameters and system parameters in the systems of FIGS. 1 and 3 for illustrating the present invention. 本発明の付加的な実施態様を説明する、8つの自己較正エリプソメータを例示し、各々は2つ以上の偏光要素または位相リターダと偏光要素との組合せを用いている。Illustrating eight self-calibrating ellipsometers illustrating additional embodiments of the present invention, each using two or more polarization elements or a combination of phase retarders and polarization elements. 本発明の付加的な実施態様を説明する、8つの自己較正エリプソメータを例示し、各々は2つ以上の偏光要素または位相リターダと偏光要素との組合せを用いている。Illustrating eight self-calibrating ellipsometers illustrating additional embodiments of the present invention, each using two or more polarization elements or a combination of phase retarders and polarization elements. 本発明の付加的な実施態様を説明する、8つの自己較正エリプソメータを例示し、各々は2つ以上の偏光要素または位相リターダと偏光要素との組合せを用いている。Illustrating eight self-calibrating ellipsometers illustrating additional embodiments of the present invention, each using two or more polarization elements or a combination of phase retarders and polarization elements. 本発明の付加的な実施態様を説明する、8つの自己較正エリプソメータを例示し、各々は2つ以上の偏光要素または位相リターダと偏光要素との組合せを用いている。Illustrating eight self-calibrating ellipsometers illustrating additional embodiments of the present invention, each using two or more polarization elements or a combination of phase retarders and polarization elements. 本発明の付加的な実施態様を説明する、8つの自己較正エリプソメータを例示し、各々は2つ以上の偏光要素または位相リターダと偏光要素との組合せを用いている。Illustrating eight self-calibrating ellipsometers illustrating additional embodiments of the present invention, each using two or more polarization elements or a combination of phase retarders and polarization elements. 本発明の付加的な実施態様を説明する、8つの自己較正エリプソメータを例示し、各々は2つ以上の偏光要素または位相リターダと偏光要素との組合せを用いている。Illustrating eight self-calibrating ellipsometers illustrating additional embodiments of the present invention, each using two or more polarization elements or a combination of phase retarders and polarization elements. 本発明の付加的な実施態様を説明する、8つの自己較正エリプソメータを例示し、各々は2つ以上の偏光要素または位相リターダと偏光要素との組合せを用いている。Illustrating eight self-calibrating ellipsometers illustrating additional embodiments of the present invention, each using two or more polarization elements or a combination of phase retarders and polarization elements. 本発明の付加的な実施態様を説明する、8つの自己較正エリプソメータを例示し、各々は2つ以上の偏光要素または位相リターダと偏光要素との組合せを用いている。Illustrating eight self-calibrating ellipsometers illustrating additional embodiments of the present invention, each using two or more polarization elements or a combination of phase retarders and polarization elements. 図1のシステムの一部および本発明の別の側面を説明する試料の傾きおよび集束検出サブシステムの概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a sample tilt and focus detection subsystem illustrating a portion of the system of FIG. 1 and another aspect of the present invention. 図3のシステムの一部および本発明の別の側面を説明する試料の傾きおよび集束検出サブシステムの概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram of a sample tilt and focus detection subsystem illustrating part of the system of FIG. 3 and another aspect of the present invention. 親出願の発明の好ましい実施態様を例示する、分光エリプソメータと偏光解析システムを含む組合せ測定器の概略図である。1 is a schematic diagram of a combined measuring instrument including a spectroscopic ellipsometer and an ellipsometry system, illustrating a preferred embodiment of the parent application invention. FIG. 図9の偏光解析システムの斜視図である。FIG. 10 is a perspective view of the ellipsometry system of FIG. 9. 偏光解析パラメータ測定のための図9のシステムの一部を簡略化した概略図である。FIG. 10 is a simplified schematic diagram of a portion of the system of FIG. 9 for ellipsometric parameter measurement. 図11Aの照明アパーチャを図解するものである。11B illustrates the illumination aperture of FIG. 11A. 親出願の発明の別の実施態様を例示する、偏光解析パラメータ測定用システムの一部の簡略化した概略図である。FIG. 2 is a simplified schematic diagram of a portion of a system for measuring ellipsometric parameters, illustrating another embodiment of the parent application invention. 親出願の発明の好ましい実施態様を例示する、照明ビームまたは反射ビームがアパーチャを通される図9の偏光解析パラメータを測定するためのシステムの簡素化した概略図である。FIG. 10 is a simplified schematic diagram of a system for measuring the ellipsometric parameters of FIG. 9 in which an illumination beam or reflected beam is passed through an aperture, illustrating a preferred embodiment of the parent application invention. 親出願の発明を例示する、試料の複屈折の軸と関連する図13Aのアパーチャの概略図である。FIG. 13B is a schematic diagram of the aperture of FIG. 13A associated with the sample birefringence axis, illustrating the invention of the parent application.

図1は、本発明の第1の実施態様を例示する、2つの位相リターダを用いるエリプソメータを示す。図1に示すように、エリプソメータ10は放射源12を含んでおり、これは実質的に単波長の放射を供給し得る。実質的に単波長の放射を供給するため、超安定ヘリウムネオンレーザを用い得る。源12からの放射は、固定偏光子14を通される。固定偏光子14は、それを通過する放射が直線偏光成分を有するようにするものである。固定偏光子14は、好ましくは、システム10の残余光学成分についてその方位に固定された直線偏光子である。代わりに、固定偏光子14は、それを通過する放射に直線偏光成分を含む楕円偏光を持たせ得る。説明したように、好ましくは、直線偏光成分を有する放射が変調器16に供給されるが、このことは必要とされないことおよび変調器16に供給された偏光成分を有するその放射は十分なものでありかつ本発明の範囲内にあることが理解されるであろう。   FIG. 1 shows an ellipsometer using two phase retarders, illustrating a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the ellipsometer 10 includes a radiation source 12, which can provide substantially single wavelength radiation. An ultrastable helium neon laser may be used to provide substantially single wavelength radiation. Radiation from the source 12 is passed through a fixed polarizer 14. The fixed polarizer 14 is such that the radiation passing through it has a linearly polarized component. The fixed polarizer 14 is preferably a linear polarizer that is fixed in that orientation for the remaining optical components of the system 10. Alternatively, the fixed polarizer 14 may have elliptical polarization that includes a linearly polarized component in the radiation that passes through it. As explained, radiation with a linearly polarized component is preferably supplied to the modulator 16, but this is not required and that radiation with the polarized component supplied to the modulator 16 is sufficient. It will be understood that it is within the scope of the present invention.

偏光成分、好ましくは直線偏光成分を有し、偏光子14から出る放射11は、レンズ16により集束されかつ位相リターダ18を通され、半導体ウェハ20のような試料表面に適用され、この表面が、反射などにより、偏光成分の偏光状態を含む放射の偏光を変える。半導体ウェハ以外の試料については、放射は、透過、散乱、回折またはさらに別のプロセスによって変えられる得るが、そのようなおよびその他の変化は本発明の範囲内にある。試料20により変更された後、変更された放射13は第2の位相リターダ22を通され、レンズ24により、集められ、第2の固定偏光子26を通され、低雑音光検出器28に適用される。   Radiation 11 having a polarization component, preferably a linear polarization component, exiting the polarizer 14 is focused by a lens 16 and passed through a phase retarder 18 and applied to a sample surface, such as a semiconductor wafer 20, which is The polarization of the radiation including the polarization state of the polarization component is changed by reflection or the like. For samples other than semiconductor wafers, the radiation can be altered by transmission, scattering, diffraction or further processes, but such and other variations are within the scope of the invention. After being modified by the sample 20, the modified radiation 13 is passed through a second phase retarder 22, collected by a lens 24, passed through a second fixed polarizer 26, and applied to a low noise photodetector 28. Is done.

リターダ18、22は、試料20による偏光の前および後に放射の偏光を変調するために異なる速度で回転される。検出器28により検出された放射は、ウェハ20のエリプソメトリックパラメータを導出するために、データ取得部30に供給される。   The retarders 18, 22 are rotated at different speeds to modulate the polarization of the radiation before and after the polarization by the sample 20. The radiation detected by the detector 28 is supplied to the data acquisition unit 30 in order to derive the ellipsometric parameters of the wafer 20.

システム10は、参照によりここに完全に組み入れられる米国特許第4,306,809号(特許文献5)においてAzzamにより提案された偏光計とは異なる。Azzamは試料のミュラー行列を導出している。システム10は、検出器28から検出された放射を用いてエリプソメトリックパラメータだけでなく、システム10自体における成分のパラメータを導出するためにも使用できる。これらのシステムパラメータには、例えば、固定偏光子14および解析器26の総合倍率、角度(偏光軸の方位)および円形減衰補償、ならびにリターダ18、24の角度、位相、線形減衰および偏光変調(リターダンス)振幅、さらには放射源12により供給された放射におけるいかなる偏光も含まれる。総合倍率は、放射源強度および検出器応答度を含み得る。偏光子14および解析器26の角度は、放射の入射面を横切る方向の試料傾きにより変えられ得る。   The system 10 differs from the polarimeter proposed by Azzam in US Pat. No. 4,306,809, which is fully incorporated herein by reference. Azzam derives the Mueller matrix of the sample. The system 10 can be used to derive not only the ellipsometric parameters using the radiation detected from the detector 28, but also the parameters of the components in the system 10 itself. These system parameters include, for example, the overall magnification of fixed polarizer 14 and analyzer 26, angle (polarization axis orientation) and circular attenuation compensation, and retarder 18, 24 angle, phase, linear attenuation and polarization modulation (retarder). Dance) amplitude and any polarization in the radiation supplied by the radiation source 12 is included. The overall magnification may include source intensity and detector responsiveness. The angles of the polarizer 14 and the analyzer 26 can be changed by the sample tilt in the direction across the plane of incidence of the radiation.

以下により明確に示されるように、図1のシステム10を用いて、25の高調波が生成され、これはエリプソメトリックパラメータとシステムパラメータの双方を決定するのに十分すぎるほどである。システムパラメータは、エリプソメトリックパラメータと共に検出器28の出力から導出されるので、システム10は自己較正しており、それによりシステムパラメータを前もって較正する必要は全くない。従って、較正用に標準試料または較正計器を使用する必要が全くない。測定がなされる都度、システムパラメータがエリプソメトリックパラメータと同時に導出され、それによりエリプソメトリックパラメータは、システムパラメータの変動による悪影響を受けることなく正確に導出され、そこではこれらのシステムパラメータも同様に正確に計算され得る。さらに、減衰補償、偏光解消および開口積分効果などのシステムパラメータは、従来のシステムにおいては較正しづらいことがある。対照的に、これらの要因は、図1のシステム10においては自動的に考慮される。   As will be shown more clearly below, using the system 10 of FIG. 1, 25 harmonics are generated, which is more than enough to determine both ellipsometric and system parameters. Since the system parameters are derived from the output of the detector 28 along with the ellipsometric parameters, the system 10 is self-calibrating so that there is no need to calibrate the system parameters beforehand. Thus, there is no need to use a standard sample or calibration instrument for calibration. Each time a measurement is made, system parameters are derived at the same time as the ellipsometric parameters, so that the ellipsometric parameters are accurately derived without being adversely affected by fluctuations in the system parameters, where these system parameters are equally accurate. Can be calculated. In addition, system parameters such as attenuation compensation, depolarization and aperture integral effects can be difficult to calibrate in conventional systems. In contrast, these factors are automatically taken into account in the system 10 of FIG.

図2は、検出器28の出力における時間の関数としての検出器信号の例を示すプロットのグラフである。位相リターダまたは他の位相変調器の代わりに、要素18、22も偏光子とし得る。   FIG. 2 is a plot of a graph showing an example of detector signal as a function of time at the output of detector 28. Instead of a phase retarder or other phase modulator, the elements 18, 22 can also be polarizers.

図3には、本発明の第2の実施態様を説明するため、2つの回転偏光要素すなわち位相リターダを用いた自己較正型広帯域エリプソメータ100を示す。最初に、システム100において2つの回転偏光子要素が使われることが仮定される。図3に示すように、システム100は広帯域の源102を含んでいる。広帯域放射を供給するため、深紫外領域を含む広いスペクトルをカバーするためキセノンランプならびに重水素ランプを用いることが望ましいことがあり、それにより源12が供給する放射が190〜約1ミクロンの範囲に及ぶようになる。明らかに、複数波長放射(例えば、複数のレーザから)または他の波長を供給する光源も使用することができ、かつ本発明の範囲に入る。   FIG. 3 shows a self-calibrating broadband ellipsometer 100 using two rotating polarization elements or phase retarders to illustrate a second embodiment of the present invention. Initially, it is assumed that two rotating polarizer elements are used in system 100. As shown in FIG. 3, system 100 includes a broadband source 102. In order to provide broadband radiation, it may be desirable to use xenon lamps as well as deuterium lamps to cover a broad spectrum, including the deep ultraviolet region, so that the radiation supplied by source 12 is in the range of 190 to about 1 micron. It reaches. Obviously, light sources providing multiple wavelength radiation (eg, from multiple lasers) or other wavelengths can also be used and are within the scope of the present invention.

固定偏光子14は、それを通過する放射が、偏光成分、好ましくは直線偏光を有するようにする。そのような成分を有する放射は、回転偏光要素すなわち位相変調器106に供給され、鏡108により試料20に集束される。反射または透過(あるいは、図1について上で列挙したいずれかのプロセス)などにより、試料20によって変更された放射は、収集鏡110によって集められ、回転偏光要素112を通って、固定解析器26へリレーされる。解析器26から出る放射は次に、広帯域放射を種々の波長成分に分離するための分光計120に供給され、それにより種々の波長の強度が個々に検出できるようになる。そのような強度は次に、解析のため、データ取得システム30へ供給される。   The fixed polarizer 14 causes the radiation passing therethrough to have a polarization component, preferably linearly polarized light. Radiation having such a component is fed to a rotating polarization element or phase modulator 106 and focused on the sample 20 by a mirror 108. Radiation modified by the sample 20, such as by reflection or transmission (or any of the processes listed above for FIG. 1), is collected by the collection mirror 110 and passes through the rotating polarization element 112 to the fixed analyzer 26. Relayed. The radiation exiting the analyzer 26 is then fed to a spectrometer 120 for separating the broadband radiation into various wavelength components so that the intensity of the various wavelengths can be detected individually. Such intensity is then provided to the data acquisition system 30 for analysis.

色収差を回避するため、集束および集光鏡がレンズの代わりに用いられ、かつ検出された広帯域放射中の種々の波長を測定用波長成分に分離するために分光計が用いられる。放射源102はレーザの代わりの広帯域源である。図4は、分光計20により検出された波長成分の1つにおける強度信号をプロットしたグラフである。位相リターダが用いられるシステムとは異なり、回転直線偏光子は、その偏光軸が固定偏光子14のそれに垂直な場合には、放射を実質的に全く通さない。この理由により、強度は周期的に実質的に0になる。   In order to avoid chromatic aberration, focusing and focusing mirrors are used instead of lenses, and spectrometers are used to separate the various wavelengths in the detected broadband radiation into measuring wavelength components. The radiation source 102 is a broadband source instead of a laser. FIG. 4 is a graph plotting the intensity signal in one of the wavelength components detected by the spectrometer 20. Unlike systems in which a phase retarder is used, a rotating linear polarizer passes substantially no radiation when its polarization axis is perpendicular to that of the fixed polarizer 14. For this reason, the intensity periodically becomes substantially zero.

図5は、図3の実施態様を説明するため、入射面の相対的な方位、固定偏光子14の軸および回転偏光要素106の軸を示す概略図である。図5は、照明ビーム122の方向に反対の方向(すなわち、中をのぞくように)に沿って見た図である。図5に示すように、基準x軸は、試料20に向けられたビーム122およびその反射124の入射面に沿っている。固定偏光子14の軸は角度P1の矢印x’に沿っており、回転偏光要素106の軸はx軸から角度P0 +P(t)の矢印x”に沿っている。要素106が回転しているので、その軸は時間tの関数として変化する。従って、P0 を時間0におけるその軸の角度とすると、時間tにおけるその軸の角度はP0 +P(t)である。同様の量A0 +A(t)は、図3の変更(図3のケースでは、反射)されたビーム124の方向と反対の方向に沿って見たときの、入射面を基準とした回転解析器112の角度について定義できる。従って、偏光要素106が周波数fP で回転しかつ偏光要素112が周波数fA で回転していれば、回転偏光要素106、112の軸の偏光角度は、下記の式(1)で与えられるPR t)、AR (t)である(式中tは時間を表す)。

Figure 0005368507
式中、初期角度P0 およびA0 は、tが0のときの偏光子および解析器要素106、112の初期角度に相当する。 FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the relative orientation of the entrance plane, the axis of the fixed polarizer 14 and the axis of the rotating polarizing element 106 to illustrate the embodiment of FIG. FIG. 5 is a view taken along a direction opposite to the direction of the illumination beam 122 (ie, looking inside). As shown in FIG. 5, the reference x-axis is along the entrance surface of the beam 122 directed to the sample 20 and its reflection 124. The axis of the fixed polarizer 14 is along the arrow x ′ at the angle P1, and the axis of the rotating polarizing element 106 is along the arrow x ″ at the angle P 0 + P (t) from the x axis. The element 106 is rotated. Therefore, its axis changes as a function of time t. Therefore, if P 0 is the angle of that axis at time 0, the angle of that axis at time t is P 0 + P (t). 0 + A (t) is the angle of the rotation analyzer 112 with respect to the entrance plane when viewed along the direction opposite to the direction of the beam 124 changed (reflected in the case of FIG. 3) in FIG. Therefore, if the polarizing element 106 rotates at the frequency f P and the polarizing element 112 rotates at the frequency f A , the polarization angle of the axis of the rotating polarizing elements 106 and 112 is expressed by the following equation (1): P R t) given by a a R (t) a (wherein t is time It is).
Figure 0005368507
In the equation, the initial angles P 0 and A 0 correspond to the initial angles of the polarizer and analyzer elements 106, 112 when t is zero.

分光計120における検出器信号S(m) D は次に、これらの回転偏光要素により変調され、時間tの関数として記録される。ここで、検出器信号についての式中の「m」は、これがモデルからの理論的なものというよりも、測定された検出器信号であることを示す。この同じ注釈は、下記で他の量についても当てはまる。 The detector signal S (m) D at the spectrometer 120 is then modulated by these rotating polarization elements and recorded as a function of time t. Here, “m” in the equation for the detector signal indicates that this is a measured detector signal rather than a theoretical one from the model. This same note applies to other quantities below.

検出器信号の1つの例が図4に示してある。以下に示されるように、測定された検出器信号から25の高調波を導出することができ、その場合にエリプソメトリックパラメータおよびシステムパラメータを導出するためのモデルの高調波とこの25の高調波を比較できる。ただし、そのような比較を論じる前に、以下で説明されるようにシステムのモデルを最初に検討する必要がある。   One example of a detector signal is shown in FIG. As shown below, 25 harmonics can be derived from the measured detector signal, in which case the model harmonics and 25 harmonics to derive ellipsometric and system parameters are derived. You can compare. However, before discussing such a comparison, the model of the system must first be considered, as explained below.

システムモデリング
検出器信号のミュラー行列表示
解析的には、検出器信号は、

Figure 0005368507
として表すことができる。
式中、
P (P):試料に入射するビームの4×1ストークスベクトル、
s :試料の4×4ミュラー行列、
S’A (A):解析器中の要素を表すミュラー行列の第1行の投射。 System modeling <br/> Mueller matrix representation of the detector signal Analytically, the detector signal is
Figure 0005368507
Can be expressed as
Where
S P (P): 4 × 1 Stokes vector of the beam incident on the sample,
M s : 4 × 4 Mueller matrix of the sample,
S ′ A (A): projection of the first row of the Mueller matrix representing the elements in the analyzer.

式2の最後の部分では、単純にするため、P(t)、およびA(t)は単にPおよびAと書かれ、これらが時間の関数であることが理解される。同じ単純化は下記の説明でもなされる。   In the last part of Equation 2, for simplicity, P (t) and A (t) are simply written as P and A, and it is understood that these are functions of time. The same simplification is made in the description below.

偏光生成側における要素のモデリング
システム100の生成側は、固定偏光子14、回転偏光子106および鏡108を有する。生成側のすべてのシステムパラメータおよび回転角度Pは、ストークスベクトルSP (P)に符号化される。次に、生成側の各要素における光の挙動、および1つの要素から次の要素への伝播を記述するためにミュラー定式化が用いられる。光源102が完全に非偏光であると仮定すると、以下の式が得られる。

Figure 0005368507
式中、
R:ミュラー回転行列、
P1:固定偏光子14のミュラー行列
P :生成側の回転偏光要素106のミュラー行列。 The generation side of the element modeling system 100 on the polarization generation side includes a fixed polarizer 14, a rotating polarizer 106 and a mirror 108. All system parameters and rotation angle P on the generator side are encoded into the Stokes vector S P (P). The Mueller formulation is then used to describe the light behavior in each element on the production side and the propagation from one element to the next. Assuming that the light source 102 is completely unpolarized, the following equation is obtained:
Figure 0005368507
Where
R: Mueller rotation matrix,
M P1 : Mueller matrix of the fixed polarizer 14 M P : Mueller matrix of the rotating polarization element 106 on the generation side.

解析側における要素のモデリング
解析側は、鏡110、回転偏光子112、および固定偏光子26を有する。解析側のすべてのシステムパラメータおよびx軸に関する偏光子112の回転角度Aは、解析側要素S’A (A)を表すミュラー行列の第1行の投射において符号化される。
同様に、

Figure 0005368507
式中、
A1:固定解析器26のミュラー行列
A :解析側の回転偏光要素112のミュラー行列。 Modeling Elements on the Analysis Side The analysis side has a mirror 110, a rotating polarizer 112, and a fixed polarizer 26. All analysis-side system parameters and the rotation angle A of the polarizer 112 with respect to the x-axis are encoded in the projection of the first row of the Mueller matrix representing the analysis-side element S ′ A (A).
Similarly,
Figure 0005368507
Where
M A1 : Mueller matrix of the fixed analyzer 26 M A : Mueller matrix of the rotating polarization element 112 on the analysis side.

フーリエ解析
数学的な扱い式(3)の偏光生成側の回転角度と関連した高調波から、ストークスベクトルSP (P)中の各要素が5つの高調波、すなわち回転周波数fP のDC、2重、および4重の高調波から成ることが見出される。

Figure 0005368507
式中、a00,a01,,,は、システム100の生成側を特徴付ける係数である。 From the harmonics related to the rotation angle on the polarization generation side of the Fourier analysis mathematical expression (3), each element in the Stokes vector S P (P) has five harmonics, that is, DC of the rotation frequency f P , 2 It is found to consist of heavy and quadruple harmonics.
Figure 0005368507
In the equation, a 00 , a 01 , and are coefficients that characterize the generation side of the system 100.

解析側における回転角度に関する高調波
同様に、解析側ミュラー行列の第1行も5つの高調波から成っている。

Figure 0005368507
式中、b00,b01,,,は、システム100の解析側を特徴付ける係数である。 Similar to the harmonics related to the rotation angle on the analysis side, the first row of the analysis-side Mueller matrix consists of five harmonics.
Figure 0005368507
In the equation, b 00 , b 01 , and are coefficients that characterize the analysis side of the system 100.

検出器信号の高調波
明らかに、検出器信号は25の高調波から成る。

Figure 0005368507
The harmonics of the detector signal Obviously, the detector signal consists of 25 harmonics.
Figure 0005368507

回帰
高調波係数Fの回帰
好ましくは、時間領域における100〜数千のデータ点が測定により得られる。試料構造(皮膜のインデックスおよび厚さ)およびシステムパラメータ(入射角、角度P0 、P1 、A0 、A1 、固定偏光子および解析器などの偏光解消等)は、検出器信号データから直接的に回帰できる。しかしながら、この回帰は非線形である。1000のデータ点の非線形回帰はあまり効率的ではない。一方、F係数の回帰は線形であり、従って回帰効率を改善する。次式、

Figure 0005368507
の最小化により、高調波係数Fc0 (m) 、Fcn (m) 、およびFsn (m) 、n=1,2,,,12が決定される。回帰において、ベクトルxは次式として定義される。
Figure 0005368507
Regression
Regression of harmonic coefficient F Preferably 100 to several thousand data points in the time domain are obtained by measurement. Sample structure (film index and thickness) and system parameters (incident angles, angles P 0 , P 1 , A 0 , A 1 , depolarization, etc. for fixed polarizers and analyzers) are directly derived from detector signal data Can be regressed. However, this regression is non-linear. Non-linear regression of 1000 data points is not very efficient. On the other hand, the regression of the F coefficient is linear, thus improving the regression efficiency. The following formula,
Figure 0005368507
, Harmonic coefficients F c0 (m) , F cn (m) , and F sn (m) , n = 1, 2,. In regression, the vector x is defined as
Figure 0005368507

試料構造およびシステムパラメータの回帰
上記線形回帰において、試料構造およびシステムパラメータは使用されない。一方、高調波係数は試料構造およびシステムパラメータと関連している。実際のところ、それらは試料構造およびシステムパラメータと関連した非線形関数である。これらの非線形関係は、システムモデルおよび膜モデルにより得られる。

Figure 0005368507
Sample Structure and System Parameter Regression In the above linear regression, sample structure and system parameters are not used. On the other hand, harmonic coefficients are related to sample structure and system parameters. In fact, they are nonlinear functions associated with sample structure and system parameters. These nonlinear relationships are obtained by the system model and the membrane model.
Figure 0005368507

そのようなシステムおよび膜モデルを構成するための方法は当業者には公知であり、ここでは詳述しない。これにより、試料構造およびシステムパラメータを下記の式(11)に回帰することができるようになる。

Figure 0005368507
式中、「m」が付された量は、上記で説明したように分光計120からの測定された検出器信号から得られ、モデルからのものではない。 Methods for constructing such systems and membrane models are known to those skilled in the art and will not be described in detail here. As a result, the sample structure and system parameters can be returned to the following equation (11).
Figure 0005368507
Where the quantity labeled “m” is obtained from the measured detector signal from the spectrometer 120 as described above and not from the model.

エリプソメトリックパラメータおよびシステムパラメータを導出するためのプロセスを、図6を参照して説明する。最初に、上述のように生データが得られ、これは分光計120(ブロック150)の出力において現れる。データに関してフーリエ解析が実行され、25の測定された重調和係数が得られる(ブロック152、154)。膜モデルおよびシステムモデルは式10に示されるように構成される(ブロック156)。考慮されるシステムパラメータには、上で論じたものの1つ、いくつかまたはすべてを含み得る(ブロック156)。上記の式11の回帰アルゴリズムが次に、高調波係数Fについて解を出すために実行される(ブロック158)。これらのF係数から、エリプソメトリックパラメータn、kおよびシステムパラメータを次に導出し得る(ブロック160)。分光計出力から導出し得るシステムパラメータは、例えば、固定偏光子14および解析器26の総合倍率、角度(偏光軸の方位)および円形減衰補償、ならびに偏光子106および解析器112の角度、偏光解消、そして源102により供給される放射のいかなる偏光も含まれる。上で説明したものと同じモデルおよびプロセスは、源102、12が、いくつかの非偏光成分を有する放射源と交換される場合に使用され得る。   The process for deriving ellipsometric parameters and system parameters is described with reference to FIG. Initially, raw data is obtained as described above, which appears at the output of spectrometer 120 (block 150). A Fourier analysis is performed on the data to obtain 25 measured biharmonic coefficients (blocks 152, 154). The membrane model and system model are configured as shown in equation 10 (block 156). System parameters considered may include one, some or all of those discussed above (block 156). The regression algorithm of Equation 11 above is then executed to solve for the harmonic coefficient F (block 158). From these F-factors, ellipsometric parameters n, k and system parameters may then be derived (block 160). System parameters that can be derived from the spectrometer output include, for example, the overall magnification, angle (polarization axis orientation) and circular attenuation compensation of the fixed polarizer 14 and analyzer 26, and the angle of polarizer 106 and analyzer 112, depolarization. , And any polarization of radiation provided by source 102 is included. The same model and process as described above can be used when the sources 102, 12 are replaced with radiation sources having several unpolarized components.

図3を参照すると、回転要素106、112は、偏光要素の代わりに位相リターダなどの位相変調器であり、上記の式すなわち式(1)〜(11)と実質的に同じ式を構成することができかつ図6に関する上記説明と同様のプロセスをエリプソメトリックパラメータおよびシステムパラメータを導出するために実施し得る。要素106、112が位相変調器である場合には、これらの要素の各々は速い軸と遅い軸とを有している。これら2つの軸の1つが要素の軸として扱われ、上記の同じ解析を、エリプソメトリックパラメータn、kおよびシステムパラメータを測定しかつ導出するために適用し得る。もし要素106、112の1つ以上が、1つ以上の位相変調器および1つ以上の偏光子を複合したものであれば、同じことがあてはまる。   Referring to FIG. 3, the rotation elements 106 and 112 are phase modulators such as phase retarders instead of polarization elements, and constitute substantially the same expression as the above expression, that is, the expressions (1) to (11). A process similar to that described above with respect to FIG. 6 can be performed to derive ellipsometric and system parameters. When elements 106, 112 are phase modulators, each of these elements has a fast axis and a slow axis. One of these two axes is treated as the element axis, and the same analysis above can be applied to measure and derive ellipsometric parameters n, k and system parameters. The same applies if one or more of the elements 106, 112 are a combination of one or more phase modulators and one or more polarizers.

上述の方法は図1のシステム10にも適用可能である。従って、検出器28の出力は次に、上記で要素12、14、16、18、22、24および26について上記で列挙したようなエリプソメトリックパラメータおよびシステムパラメータを導出するために用いられる。   The method described above is also applicable to the system 10 of FIG. Thus, the output of detector 28 is then used to derive ellipsometric and system parameters as listed above for elements 12, 14, 16, 18, 22, 24 and 26 above.

上述の解析から、25の高調波は、エリプソメトリックパラメータおよびシステムパラメータを解きあるいは導出するのに十分である。いくつかの用途においては、そのようなパラメータを導出するのに25の高調波すべてが必要とされるわけではない。そのような場合、図1および図3に示したものよりも単純なシステムを代わりに用い得る。そのような構成が図7A〜図7Hに示してある。図面を簡略化するため、光源、検出器、データ取得および解析装置は省略されている。図7A〜図7Bは、2つの偏光子を用いる従来のエリプソメータを例示するものである。図7Aでは、非偏光光が回転偏光子206を通され、試料20に供給される。試料により反射された放射は、固定偏光子226を通され、エリプソメトリックパラメータを導出するために検出器へ送られる。図7Bでは、非偏光放射が、固定直線偏光子214を通され、試料20に適用される。反射された放射は次に、それがエリプソメトリックパラメータを導出するために検出器に適用される前に、回転偏光子212を通される。   From the above analysis, 25 harmonics are sufficient to solve or derive ellipsometric and system parameters. In some applications, not all 25 harmonics are required to derive such parameters. In such a case, a simpler system than that shown in FIGS. 1 and 3 may be used instead. Such a configuration is shown in FIGS. 7A-7H. To simplify the drawing, the light source, detector, data acquisition and analysis device are omitted. 7A-7B illustrate a conventional ellipsometer that uses two polarizers. In FIG. 7A, unpolarized light passes through the rotating polarizer 206 and is supplied to the sample 20. The radiation reflected by the sample is passed through a fixed polarizer 226 and sent to a detector to derive ellipsometric parameters. In FIG. 7B, unpolarized radiation is passed through the fixed linear polarizer 214 and applied to the sample 20. The reflected radiation is then passed through the rotating polarizer 212 before it is applied to the detector to derive ellipsometric parameters.

図7C〜図7Hに例示した構成は可能であり、本発明に従って用いるのが有利である。従って、図7Cでは、非偏光放射が回転偏光子206を通され、試料20に適用され、試料により変更された放射が次に回転解析器212を通され、放射が単波長か広帯域であるかによって、検出器28または分光計120などの検出器に送られる。図7Dでは、非偏光放射は最初に固定偏光子214を、次に回転偏光子206を通されて、試料20に適用される。変更された放射は、固定解析器226へ渡され検出器へ送られる。図7Eでは、非偏光放射が、固定偏光子214を通され、試料20によって変更され、回転解析器212および固定解析器226を通されて検出器に適用される。図7Fでは、非偏光放射が、固定偏光子214、回転偏光子206を通して試料20に適用され、試料によって変更された放射は、回転解析器212を通して検出器へ渡される。図7Gでは、非偏光放射は回転偏光子206を通して試料20に適用され、試料により変更された放射は、回転解析器212および固定解析器226を通して検出器へ送られる。集束鏡が全く用いられないこと以外は、図7Hの構成は図3の構成と同様である。   The configurations illustrated in FIGS. 7C-7H are possible and are advantageously used in accordance with the present invention. Thus, in FIG. 7C, unpolarized radiation is passed through the rotating polarizer 206 and applied to the sample 20, and the radiation modified by the sample is then passed through the rotation analyzer 212, whether the radiation is single wavelength or broadband. To a detector such as detector 28 or spectrometer 120. In FIG. 7D, unpolarized radiation is applied to the sample 20 first through the fixed polarizer 214 and then through the rotating polarizer 206. The modified radiation is passed to the fixed analyzer 226 and sent to the detector. In FIG. 7E, unpolarized radiation is passed through the fixed polarizer 214, modified by the sample 20, and passed through the rotation analyzer 212 and fixed analyzer 226 and applied to the detector. In FIG. 7F, unpolarized radiation is applied to the sample 20 through the fixed polarizer 214, the rotating polarizer 206, and the radiation modified by the sample is passed through the rotational analyzer 212 to the detector. In FIG. 7G, unpolarized radiation is applied to the sample 20 through the rotating polarizer 206, and the radiation modified by the sample is sent to the detector through the rotational analyzer 212 and the fixed analyzer 226. The configuration of FIG. 7H is the same as the configuration of FIG. 3 except that no focusing mirror is used.

従って、図7C、図7F、図7Gおよび図7Hの構成において、試料による変更の前後に、回転偏光子または解析器により変えられ、その場合、放射は1つ以上の固定偏光要素を通すことも通さないこともできる。図7D、図7Eの構成においては、試料による変更の前後に、放射は固定偏光要素を通されるが、試料による変更の前あるいは後の一方において1つの回転偏光子または解析器のみが使用され、変化の前後双方においてではない。   Thus, in the configurations of FIGS. 7C, 7F, 7G and 7H, before and after modification by the sample, it can be changed by a rotating polarizer or analyzer, in which case the radiation can pass through one or more fixed polarizing elements. You can not pass. In the configurations of FIGS. 7D and 7E, the radiation is passed through a fixed polarization element before and after modification by the sample, but only one rotating polarizer or analyzer is used either before or after modification by the sample. Not both before and after the change.

図7C〜図7Eの器具または構成が用いられる場合、検出された信号から5つの高調波が生成し得る。5つの高調波は、いくつかの用途についてエリプソメトリックパラメータおよびシステムパラメータを導出するのに十分であり得る。特定の用途においては、より多くの高調波が必要または望ましいことがあり、これらの用途については、図7F、図7G、図7Hおよび3が望ましいであろう。   When the instrument or configuration of FIGS. 7C-7E is used, five harmonics may be generated from the detected signal. The five harmonics may be sufficient to derive ellipsometric and system parameters for some applications. In certain applications, more harmonics may be necessary or desirable, and for these applications, FIGS. 7F, 7G, 7H and 3 would be desirable.

上述の解析は、上述の図7C〜図7Hの構成のいずれか1つについて若干修正し得る。明らかに、図3におけるように鏡が全く用いられない場合、これらの鏡を必要とするシステムパラメータは解析において省略し得る。放射が試料に適用される前に放射を変更するために回転偏光子が全く用いられない場合には、回転偏光子の回転軸角度を表す変数Pは定数または0に設定できる。放射が試料により反射または他の方法で変更された後に、その放射を修正するために回転解析器が全く用いられない場合には、回転解析器の角度を表す量Aも定数または0に設定できる。そのような違いは別として、上述の解析を、図7C〜図7Hの構成においてエリプソメトリックパラメータを導出するために適用し得る。   The above analysis can be modified slightly for any one of the configurations of FIGS. 7C-7H described above. Obviously, if no mirrors are used as in FIG. 3, the system parameters that require these mirrors may be omitted in the analysis. If no rotating polarizer is used to change the radiation before it is applied to the sample, the variable P representing the rotational axis angle of the rotating polarizer can be set to a constant or zero. If no rotation analyzer is used to modify the radiation after it has been reflected or otherwise changed by the sample, the amount A representing the angle of the rotation analyzer can also be set to a constant or zero. . Apart from such differences, the above analysis can be applied to derive ellipsometric parameters in the configurations of FIGS. 7C-7H.

上で論じた理由から、いくつかの用途については、エリプソメトリックパラメータと共にシステムパラメータを導出することが有利であるが、図3、図7C〜図7Hの構成におけるように、システムパラメータも導出せずにエリプソメトリックパラメータを単に導出すれば充分なこともある。そのようなまた他の変更形態は本発明の範囲内にある。   For reasons discussed above, it may be advantageous to derive system parameters along with ellipsometric parameters for some applications, but also do not derive system parameters as in the configurations of FIGS. 3 and 7C-7H. It may be sufficient to simply derive the ellipsometric parameters. Such and other modifications are within the scope of the present invention.

25の高調波を生成するためには、2つの偏光子、変調器(18、22および106、112)を異なる速度で回転させるべきである。一方の偏光子または変調器の回転速度が、対になる他方の回転速度の整数倍である場合には、25の高調波が検出器信号から導出されるのに十分な情報がないことがある。従って、25の高調波を導出するため、2つの偏光子または変調器各々の回転速度が他方の偏光子または変調器の回転速度で割り切れない整数であることが望ましい。言い換えると、2つの整数速度の最大最小公分母が1であることが望ましい。さらに、十分な検出器情報を得るため、試料によりそして変調器または偏光子により変調された放射を検出器信号が検出している間、2つの変調器または偏光子の少なくとも1つが13回以上の完全な回転により回転されることが望ましい。   In order to generate 25 harmonics, the two polarizers, modulators (18, 22 and 106, 112) should be rotated at different speeds. If the rotation speed of one polarizer or modulator is an integer multiple of the rotation speed of the other pair, there may not be enough information for 25 harmonics to be derived from the detector signal. . Therefore, in order to derive 25 harmonics, it is desirable that the rotational speed of each of the two polarizers or modulators is an integer that cannot be divided by the rotational speed of the other polarizer or modulator. In other words, it is desirable that the maximum and minimum common denominators of two integer velocities be 1. Further, in order to obtain sufficient detector information, at least one of the two modulators or polarizers is more than 13 times while the detector signal is detecting radiation modulated by the sample and by the modulator or polarizer. It is desirable to rotate with full rotation.

これら2つの偏光子または位相変調器は、連続的または断続的に回転させられ得る。回転が断続的である場合、検出器は、位相変調器または偏光子が静止している間に検出するために使用できる。回転偏光子または回転リターダを用いる代わりに、光弾性変調器またはポッケルスセルを代わりに用い得る。回転リターダはフレネルロムとし得る。図7A〜図7Gの構成は、1つ以上の要素14、106、112、26を図3のシステム100から取り去ることによって達成でき、これは図3のモータ250によって遂行できる。図6および式に関して上で説明したアルゴリズムは、データ取得30により実行でき、これは単にコンピュータとし得る。   These two polarizers or phase modulators can be rotated continuously or intermittently. If the rotation is intermittent, the detector can be used to detect while the phase modulator or polarizer is stationary. Instead of using a rotating polarizer or a rotating retarder, a photoelastic modulator or a Pockels cell can be used instead. The rotary retarder can be a Fresnel ROM. The configuration of FIGS. 7A-7G can be accomplished by removing one or more elements 14, 106, 112, 26 from the system 100 of FIG. 3, which can be accomplished by the motor 250 of FIG. The algorithm described above with respect to FIG. 6 and the equations can be performed by data acquisition 30, which can simply be a computer.

図8Aは、図1のシステムの一部および試料の傾きまたは試料の高さを感知するための装置の概略図である。上で言及したように、従来の測定システムにおいては、試料の傾きまたは高さは、測定パスとは異なりかつ別個の光学パスを介して測定される。これによりシステムは扱いにくくなり、かつ不正確になることがある。適切に較正したシステムにもかかわらず、そのような不正確さが測定エラーにつながり得るので、試料の傾きと高さの測定は重要である。従って、図8Aに示すように、試料により変更された後、放射は位相変調器22または回転偏光子112などの変調器を通って、レンズ24により固定解析器26を通され、格子302に伝えられる。ビームのエネルギーのほとんどは、アパーチャ304を通過して検出器28に至るゼロ次光線として現われる。ビーム13中の放射は実質的に単色であり、そのため回折格子302は、回折された+1次のビームを検出器306へ向けて回折する。検出器306は、レンズ24から格子302までおよび格子302から検出器306までの総光学パスがレンズ24の焦点距離と実質的に等しくなるように置かれる。従って、たとえ代わりに、試料20の表面20aがより低いレベル20a’にあったとしても、表面20a’および格子302からの+1次光線は、依然として同じ方向で検出器306へ向けられ、それにより検出器306の検出は試料の高さの影響を受けない。しかしながら、検出器306は、位置20aから位置20a”への試料の傾きを検出し、このことは、格子320からの+1次光線の方向に変化を起こさせ得る。従って、表面20aが適切な傾きにある場合に検出器306が較正されていたのであれば、検出器306を試料の傾きの検出に用いることができ、その場合には、そのような検出は試料の高さの変化に影響されない。   FIG. 8A is a schematic diagram of a portion of the system of FIG. 1 and an apparatus for sensing sample tilt or sample height. As mentioned above, in conventional measurement systems, the tilt or height of the sample is measured via a separate optical path that is different from the measurement path. This can make the system unwieldy and inaccurate. Despite a properly calibrated system, measurement of sample tilt and height is important because such inaccuracies can lead to measurement errors. Thus, as shown in FIG. 8A, after being modified by the sample, the radiation passes through a modulator, such as phase modulator 22 or rotating polarizer 112, through lens 24 and stationary analyzer 26, and to grating 302. It is done. Most of the energy of the beam appears as a zero order beam that passes through the aperture 304 to the detector 28. The radiation in beam 13 is substantially monochromatic, so that diffraction grating 302 diffracts the diffracted + 1st order beam toward detector 306. Detector 306 is positioned such that the total optical path from lens 24 to grating 302 and from grating 302 to detector 306 is substantially equal to the focal length of lens 24. Thus, instead, even if the surface 20a of the sample 20 is at a lower level 20a ′, the + 1st order rays from the surface 20a ′ and the grating 302 are still directed to the detector 306 in the same direction, thereby detecting The detection of the vessel 306 is not affected by the sample height. However, detector 306 detects the tilt of the sample from position 20a to position 20a ", which can cause a change in the direction of the + first order ray from grating 320. Thus, surface 20a has the proper tilt. If the detector 306 has been calibrated, the detector 306 can be used to detect sample tilt, in which case such detection is not affected by changes in sample height. .

検出器308は、格子302からの−1次回折を検出するために設置されている。検出器308は、適切な高さで試料表面20aを検出するために較正される。従って、もし試料の表面20aが、図8Aにおいて点線で示した位置20a' に下降(または上昇)されていれば、このことは、−1回折の方向の変化を引き起こしかつ検出器308により感知されるであろう。   Detector 308 is installed to detect −1st order diffraction from grating 302. The detector 308 is calibrated to detect the sample surface 20a at an appropriate height. Thus, if the sample surface 20a is lowered (or raised) to the position 20a ′ shown in dotted line in FIG. 8A, this causes a change in direction of −1 diffraction and is sensed by the detector 308. It will be.

図8Bは、図3のシステム100の一部ならびに試料の傾きと試料の高さの変化を感知するための装置の概略図である。波長依存性である格子を用いる代わりに、図8Bに示す2つのペリクルのような、本質的には透過性であるが若干反射性の2つの要素を用い得る。従って、ペリクル312、314は、固定解析器26と分光計120との間の光学パスに置き得る。両方のペリクルは、光学パスに対してほとんど直角な位置に置かれ、放射の大半は2つのペリクルを通るが、少量の放射はペリクルによって光学パスから若干それた方向に反射されて検出器316、318へそれぞれ向けられる。鏡110とペリクル312との間およびペリクル312と検出器316との間の総光学パス長が鏡110の焦点距離と実質的に等しくなるように検出器316が置かれる。図8Aの検出器306について述べたものと同様な理由のため、試料高さの変化により影響されずに試料の傾きを検出するために検出器316を使用することが可能である。また、図8Aの検出器308と同様に、検出器318は、試料高さの変化が検出器318により検出されるように、適切な高さで試料表面20aを検出するために較正されている。   FIG. 8B is a schematic diagram of a portion of the system 100 of FIG. 3 and an apparatus for sensing changes in sample tilt and sample height. Instead of using a grating that is wavelength dependent, two elements that are essentially transparent but slightly reflective, such as the two pellicles shown in FIG. 8B, can be used. Thus, the pellicles 312, 314 can be placed in the optical path between the fixed analyzer 26 and the spectrometer 120. Both pellicles are positioned almost perpendicular to the optical path and most of the radiation passes through the two pellicles, but a small amount of radiation is reflected in a direction slightly off the optical path by the pellicle to detector 316, Directed to 318 respectively. Detector 316 is placed so that the total optical path length between mirror 110 and pellicle 312 and between pellicle 312 and detector 316 is substantially equal to the focal length of mirror 110. For reasons similar to those described for detector 306 in FIG. 8A, detector 316 can be used to detect sample tilt without being affected by changes in sample height. Also, like detector 308 in FIG. 8A, detector 318 is calibrated to detect sample surface 20a at an appropriate height so that changes in sample height are detected by detector 318. .

半導体製造では、偏光解析測定用に用い得る小さい電気接触パッド領域をウェハ上に確保することがしばしば行なわれ、その場合にその領域はしばしば正方形である。偏光解析における照明ビームは、典型的には斜の角度で試料に対して向けられる。従って、もし照明ビームが円形断面を有していれば、その結果として試料上の照明スポットは楕円形になるであろう。偏光解析用に半導体上に確保された正方形のパッドはサイズが小さいことがあるので、そのようなパッド内に楕円形のスポットを納めるのは困難なことがある。   In semiconductor manufacturing, it is often done to ensure a small electrical contact pad area on the wafer that can be used for ellipsometric measurements, where the area is often square. The illumination beam in ellipsometry is typically directed at the sample at an oblique angle. Thus, if the illumination beam has a circular cross section, the resulting illumination spot on the sample will be elliptical. Since a square pad secured on a semiconductor for ellipsometry can be small in size, it can be difficult to fit an elliptical spot in such a pad.

試料上に照明ビームを集束するために円柱対物レンズを使用または付加すると、これには楕円形スポットを平坦にしてパッドの限界内にうまく納めるようにできるという効果がある。好ましくは、円柱対物レンズは、形が実質的に円形のスポットに照明ビームを集束する。従って、試料20上の照明スポットを平坦にするため、図1のレンズ16を円柱レンズにするか、あるいは円柱レンズを図1に付加してビーム11を集束することができる。同様に、試料20上の照明スポットを平坦にするため、図3の鏡108も円柱鏡とするか、あるいは円柱鏡を付加することができる。好ましくは、レンズ16または鏡108あるいはレンズと鏡の組合せの入射面における集束力は、照明スポットが円形になるようなものである。   Using or adding a cylindrical objective lens to focus the illumination beam on the sample has the effect that the elliptical spot can be flattened to fit well within the pad limits. Preferably, the cylindrical objective lens focuses the illumination beam into a spot that is substantially circular in shape. Therefore, in order to flatten the illumination spot on the sample 20, the lens 16 of FIG. 1 can be a cylindrical lens, or a cylindrical lens can be added to FIG. Similarly, in order to make the illumination spot on the sample 20 flat, the mirror 108 in FIG. 3 can also be a cylindrical mirror, or a cylindrical mirror can be added. Preferably, the focusing force at the entrance surface of the lens 16 or mirror 108 or lens and mirror combination is such that the illumination spot is circular.

図9〜図13Bに関する以下の説明は、本質的に1999年2月9日出願の特許願第09/246,922号(特許文献1)から取ったものである。   The following description with respect to FIGS. 9 to 13B is taken essentially from Patent Application No. 09 / 246,922 filed on Feb. 9, 1999.

図9は、親出願の発明の好ましい実施態様を説明するための、分光エリプソメータと偏光解析システムを含む組合せ計器の概略図である。組合せ計測器の分光エリプソメータを論じる前に、最初に偏光解析システム1008を、図9および図10を参照してある程度詳細に説明する。以下に示されるように、好ましくは、図9の組合せ計測器におけるようにシステム1008を分光(または単波長)エリプソメータと共に用いるのが有利である一方、このシステムは、それ自体で試料測定に用いても有利である。   FIG. 9 is a schematic diagram of a combined instrument including a spectroscopic ellipsometer and an ellipsometric system for illustrating a preferred embodiment of the parent application invention. Before discussing the combined instrument spectroscopic ellipsometer, the ellipsometric system 1008 will first be described in some detail with reference to FIGS. As will be shown below, preferably the system 1008 is advantageously used with a spectroscopic (or single wavelength) ellipsometer, as in the combination instrument of FIG. 9, while the system itself is used for sample measurements. Is also advantageous.

偏光解析システム1008の全体的な光学的配置は、米国特許第5,747,813号(特許文献6)に記載の分光反射率計と似ており、その単純さを保持している。しかしながら、そのような分光反射率計とは異なり、親出願の発明のシステム1008は、米国特許第5,747,813号(特許文献6)のシステムにおけるような偏光非感受性反射率スペクトルというよりは偏光解析反射率スペクトルを測定するものである。従ってシステム1008は、米国特許第5,747,813号(特許文献6)のシステムよりも表面特性に敏感である。好ましい実施態様において、親出願の発明は試料により反射された放射の検出として例示されているのに対し、親出願の発明は本質的に、本出願で説明されるように、試料により伝えられた放射が代わりに検出される場合に作動することが理解されるであろうし、そのようなおよび他の変更形態は親出願および本出願の発明の範囲内にある。単純にするため、好ましい実施態様は、放射された放射の測定として以下で説明するが、そのような説明は伝達された放射の測定に容易に拡張できることは了解の上である。   The overall optical arrangement of the ellipsometric system 1008 is similar to the spectral reflectometer described in US Pat. No. 5,747,813 and retains its simplicity. However, unlike such a spectral reflectometer, the system 1008 of the parent application invention is more than a polarization insensitive reflectance spectrum as in the system of US Pat. No. 5,747,813. The ellipsometric reflectance spectrum is measured. Thus, the system 1008 is more sensitive to surface properties than the system of US Pat. No. 5,747,813. In a preferred embodiment, the parent application invention is illustrated as detecting radiation reflected by the sample, whereas the parent application invention was essentially conveyed by the sample, as described in this application. It will be understood that it will work if radiation is detected instead, and such and other variations are within the scope of the invention of the parent application and the present application. For simplicity, the preferred embodiment is described below as a measurement of emitted radiation, but it is understood that such an explanation can be easily extended to the measurement of transmitted radiation.

試料パス、基準パス、フィールド照明パス、測定照明パスおよびエリプソメータパスを示す取り決めは、図9の右上隅に示してある。上で言及したように、偏光解析パラメータを測定するためのシステムにおける全体的な光学的配置は、以下で図9および図10を参照して説明する。   The conventions showing the sample path, the reference path, the field illumination path, the measurement illumination path and the ellipsometer path are shown in the upper right corner of FIG. As noted above, the overall optical arrangement in a system for measuring ellipsometric parameters is described below with reference to FIGS.

図9および図10はそれぞれ、偏光解析パラメータを測定するための親出願の発明による、光学システムの同じ実施態様を示す。図9のシステム1008の集束部分および他の光学要素ならびに分光エリプソメータは、図を簡素化するため、図10においては省略してある。これらの要素は、他の要素に関してのそれらの配置を最も明確に示す図と共に以下で説明してある。図9を参照すると、ウェハ1003の相対反射率スペクトル測定用の光学システム1008は、照明サブシステム、反射率計サブシステム、観察サブシステム、および自動焦点サブシステムを含んでおり、どのような特定の光学要素でも1つ以上のサブシステムの一部となり得る。照明サブシステムは、可視および/または紫外(UV)光の光ビーム1012を発するキセノンアークランプなどのランプ1010、ランプハウジングウインドウ1014、軸外し放物面鏡1016、フリップインUVカットオフフィルタ1018、カラーフィルタホイール1020、平面鏡1022、凹面鏡1024、フリップイン40μmファインフォーカスアパーチャ1030を備えたアパーチャ鏡1028、大型色消しレンズ1032、フィールド照明シャッター1031、折り曲げ鏡1036、および小型色消しレンズ1038を含んでいる。図10では、対物レンズ1040は、鏡1040a、1040bおよびこれを収納するハウジング1040’を含んでいるが、ハウジングとウェハとの間に、分光エリプソメータ(図10では図示せず)からの斜めの照明ビームのための十分な間隔を残してある。   9 and 10 each show the same embodiment of the optical system according to the parent application invention for measuring ellipsometric parameters. The focusing portion and other optical elements of the system 1008 of FIG. 9 and the spectroscopic ellipsometer are omitted in FIG. 10 to simplify the illustration. These elements are described below with the diagram most clearly showing their arrangement with respect to other elements. Referring to FIG. 9, the optical system 1008 for measuring the relative reflectance spectrum of the wafer 1003 includes an illumination subsystem, a reflectometer subsystem, an observation subsystem, and an autofocus subsystem, and any particular An optical element can also be part of one or more subsystems. The illumination subsystem includes a lamp 1010 such as a xenon arc lamp that emits a light beam 1012 of visible and / or ultraviolet (UV) light, a lamp housing window 1014, an off-axis parabolic mirror 1016, a flip-in UV cutoff filter 1018, a color. It includes a filter wheel 1020, a plane mirror 1022, a concave mirror 1024, an aperture mirror 1028 with a flip-in 40 μm fine focus aperture 1030, a large achromatic lens 1032, a field illumination shutter 1031, a folding mirror 1036, and a small achromatic lens 1038. In FIG. 10, the objective lens 1040 includes mirrors 1040a and 1040b and a housing 1040 ′ for housing the mirrors, but oblique illumination from a spectroscopic ellipsometer (not shown in FIG. 10) between the housing and the wafer. There is enough space left for the beam.

照明システムは、測定ビーム25とフィールド照明ビーム1034から成る組合せビーム1042を提供する。ランプ1010は、ランプハウジングウインドウ1014を通して光ビーム1012を放つ。ランプハウジングウインドウは光学的な理由から必要ではないが、ランプ1010が万一割れたり破裂したときのために備えてある。タングステンまたは重水素ランプなどの他のランプよりもキセノンランプが好まれる。なぜならば、キセノンランプは、UVから近赤外までのスペクトルをカバーするよりフラットな出力を与えるからである。190〜220nmの範囲の波長成分を有する試料ビームを提供するため、深UVを含むより広いスペクトルをカバーすべく付加的な重水素ランプ1088がキセノンランプ1010と共に用いられる。2つのランプを一緒に用いることにより、その結果として試料検出用に供給される放射の組合せスペクトルは、約190〜800ないし830nmの範囲にまで拡張できる。スペクトルを深UV範囲にまで拡張することは、フォトリソグラフィに有用である。ランプ1088からの放射は、レンズ1093により集束され、鏡1095によりフィルタ1018へ反射され、ランプ1010からの放射と組合されて組合せビーム1012’を形成する。鏡1095を矢印1099に沿ってビーム1012のパス中へまたはパスから動かすことにより、重水素ランプ1088からの放射を、測定ビーム1025に含めあるいはこれから除外することが可能である。   The illumination system provides a combined beam 1042 consisting of a measurement beam 25 and a field illumination beam 1034. The lamp 1010 emits a light beam 1012 through the lamp housing window 1014. The lamp housing window is not necessary for optical reasons, but is provided in case the lamp 1010 should crack or rupture. Xenon lamps are preferred over other lamps such as tungsten or deuterium lamps. This is because a xenon lamp gives a flatter output covering the spectrum from UV to near infrared. An additional deuterium lamp 1088 is used with the xenon lamp 1010 to cover a broader spectrum, including deep UV, to provide a sample beam having a wavelength component in the range of 190-220 nm. By using the two lamps together, the resulting combined spectrum of radiation supplied for sample detection can be extended to a range of about 190-800 to 830 nm. Extending the spectrum to the deep UV range is useful for photolithography. The radiation from lamp 1088 is focused by lens 1093, reflected by mirror 1095 to filter 1018, and combined with the radiation from lamp 1010 to form a combined beam 1012 '. Radiation from deuterium lamp 1088 can be included in or excluded from measurement beam 1025 by moving mirror 1095 along or out of the path of beam 1012 along arrow 1099.

軸外し放物面鏡1016は光ビーム1012を平行にし、このビームは、ランプ1088からの放射と組合わせてをビーム1012’を形成後、フリップインUVカットオフフィルタ1018およびカラーフィルタホイール1020で任意に濾光できる。フリップインUVカットオフフィルタ1018は、光ビーム1012’が回折格子により拡散される際に1次および2次回折ビームが重ならないようにするため、光ビーム1012’のスペクトルを部分的に制限するために用いられる。光ビーム1012’の一部は、平面鏡1022により凹面鏡1024へ反射され、測定ビーム1025を形成する。凹面鏡1024は、測定ビーム1025をアパーチャ鏡1028上へ集束する。   An off-axis parabolic mirror 1016 collimates the light beam 1012, which is combined with radiation from the lamp 1088 to form a beam 1012 ′, and then optionally with a flip-in UV cutoff filter 1018 and a color filter wheel 1020. Can be filtered. The flip-in UV cut-off filter 1018 partially limits the spectrum of the light beam 1012 ′ so that the first and second order diffracted beams do not overlap when the light beam 1012 ′ is diffused by the diffraction grating. Used for. A portion of the light beam 1012 ′ is reflected by the plane mirror 1022 to the concave mirror 1024 to form a measurement beam 1025. Concave mirror 1024 focuses measurement beam 1025 onto aperture mirror 1028.

光ビーム1012の別の部分、すなわちフィールド照明ビーム1034、は大型色消しレンズ1032によって折り曲げ鏡1036近くに集束され、折り曲げ鏡1036はランプ1010、1088の像を小型色消しレンズ1038に向けて反射する。光がアパーチャ鏡1028から反射する前に、小型色消しレンズ1038はフィールド照明ビーム1034中の光を集める。アパーチャ鏡1028は、溶融シリカプレートであって、片面に反射性コーティングを備え、該反射コーティングに150μm四方のエッチングで測定ビーム1025用アパーチャを設けてある。アパーチャは、対物レンズ1040の共役直径の一方に置かれる。フィールド照明は、フィールド照明ビーム1034の光学パス中にフィールド照明シャッター1031を置くことにより遮断できる。   Another portion of the light beam 1012, the field illumination beam 1034, is focused near the folding mirror 1036 by the large achromatic lens 1032, which reflects the image of the lamps 1010, 1088 towards the small achromatic lens 1038. . A small achromatic lens 1038 collects the light in the field illumination beam 1034 before the light reflects from the aperture mirror 1028. The aperture mirror 1028 is a fused silica plate having a reflective coating on one side, and an aperture for the measurement beam 1025 provided by etching 150 μm square on the reflective coating. The aperture is placed on one of the conjugate diameters of the objective lens 1040. Field illumination can be blocked by placing a field illumination shutter 1031 in the optical path of the field illumination beam 1034.

狭い測定ビーム1025と広いフィールド照明ビーム1034とがアパーチャ鏡1028において再結合され、フィールド照明ビーム1034はアパーチャ鏡1028の前面で反射し、測定ビーム1025はアパーチャと偏光子1102を通過し、前記偏光子はモータ1101によりビーム1025のパス中へまたはパスから外へ移動され得る。   The narrow measurement beam 1025 and the wide field illumination beam 1034 are recombined at the aperture mirror 1028, the field illumination beam 1034 reflects off the front surface of the aperture mirror 1028, the measurement beam 1025 passes through the aperture and polarizer 1102, and the polarizer Can be moved into or out of the path of beam 1025 by motor 1101.

図9は、光学システム1008の反射率計、観察およびオートフォーカスサブシステムを示すもので、対物レンズ1040、ビーム分割鏡1045、試料ビーム1046、任意の基準ビーム1048、凹面鏡1050、平面鏡1043、基準分光計ピンホール1056を備えた基準プレート1052、試料分光計ピンホール1058を備えた試料プレート1054、第2の折り曲げ鏡1068、回折格子1070、試料直線フォトダイオードアレイ1072、基準直線フォトダイオードアレイ1074、短焦点距離色消しレンズ1080、鏡1082、ビームスプリッタキューブ1084、ペンタプリズム1086、長焦点距離色消しレンズ1090、中性密度フィルタホイール1097、第3の折り曲げ鏡1091、およびビデオカメラ1096を含む。これらの構成要素のいくつかは簡明にするため図10では示してない。   FIG. 9 shows the reflectometer, observation and autofocus subsystem of optical system 1008, objective lens 1040, beam splitter mirror 1045, sample beam 1046, optional reference beam 1048, concave mirror 1050, plane mirror 1043, reference spectroscopic. Reference plate 1052 with meter pinhole 1056, Sample plate 1054 with sample spectrometer pinhole 1058, second folding mirror 1068, diffraction grating 1070, sample linear photodiode array 1072, reference linear photodiode array 1074, short Focal length achromatic lens 1080, mirror 1082, beam splitter cube 1084, pentaprism 1086, long focal length achromatic lens 1090, neutral density filter wheel 1097, third folding mirror 1091 and video camera 1 Including 96. Some of these components are not shown in FIG. 10 for simplicity.

対物レンズ1040についてはいくつかの倍率が可能である。1つの実施態様においては、シュワルツシルド型の全反射性対物レンズを回転可能なタレットに取り付けることができ、このタレットにより、試料ビーム1046の光学パス中にいくつかの異なる対物レンズ(図示せず)の1つを置くことができる。親出願の発明における測定に大きな影響を与えることなく、低パワーの屈折性要素を試料ビーム1046の光学パスに含めることが可能である。   Several magnifications are possible for the objective lens 1040. In one embodiment, a Schwarzschild-type totally reflective objective lens can be attached to a rotatable turret that allows several different objective lenses (not shown) during the optical path of the sample beam 1046. You can put one of them. A low power refractive element can be included in the optical path of the sample beam 1046 without significantly affecting the measurements in the parent application invention.

ウェハ1003の相対反射率スペクトルの測定を次に説明する。フィールド照明シャッター1031がフィールド照明ビーム1034のパス中に置かれた場合、組合せビーム1042は測定ビーム1025のみから成る。組合せビーム1042はビーム分割鏡1045により分割され、これは組合せビーム1042の半分を対物レンズ1040に向けて偏向させるために置かれた完全反射鏡であって、従って試料ビーム1046を形成し、組合せビーム1042の偏向されなかった残り半分は基準ビーム1048を形成する。試料ビーム1046および任意の基準ビーム1048が同じ源、ランプ1010、1088から導出され、また組合せビーム1042が放射状に均一なので、基準ビーム1048および試料ビーム1046は、比例的に依存するスペクトル強度を有する。さらに、ビーム分割鏡1045は、全光学パス中の部分反射鏡というよりも光学パスの半分における完全反射鏡なので、連続的な広帯域スペクトルは良好な輝度で反射される。   The measurement of the relative reflectance spectrum of the wafer 1003 will be described next. When the field illumination shutter 1031 is placed in the path of the field illumination beam 1034, the combined beam 1042 consists only of the measurement beam 1025. The combined beam 1042 is split by a beam splitting mirror 1045, which is a fully reflecting mirror placed to deflect half of the combined beam 1042 towards the objective lens 1040, thus forming a sample beam 1046, which is the combined beam. The other undeflected half of 1042 forms a reference beam 1048. Since the sample beam 1046 and the optional reference beam 1048 are derived from the same source, lamps 1010, 1088, and the combined beam 1042 is radially uniform, the reference beam 1048 and the sample beam 1046 have proportionally dependent spectral intensities. Furthermore, since the beam splitting mirror 1045 is a perfect reflector in half of the optical path rather than a partial reflector in the entire optical path, the continuous broadband spectrum is reflected with good brightness.

基準ビーム1048は当初、ビーム分割鏡1045と相互作用しないが、代わりに凹面鏡1050を照明する。凹面鏡1050は軸をわずかに外してあり、それによって基準ビーム1048はビーム分割鏡1045の裏面上に反射され、その場合、平面鏡1043が基準ビーム1048を基準分光計ピンホール1056と一直線状に再反射する。平面鏡1043は、基準ビーム1048を試料ビーム1046と再整列するために設けてあり、それにより双方のビームが、実質的に平行なそれぞれの分光計ピンホールを通過する。これにより双方のチャネルについての分光計要素の整列がより簡単になる。なぜならば基準ビームが試料ビームに平行な分光計に入るからである。   Reference beam 1048 initially does not interact with beam splitting mirror 1045 but illuminates concave mirror 1050 instead. The concave mirror 1050 is slightly off axis so that the reference beam 1048 is reflected on the back of the beam splitting mirror 1045, in which case the plane mirror 1043 re-reflects the reference beam 1048 in line with the reference spectrometer pinhole 1056. To do. A plane mirror 1043 is provided to realign the reference beam 1048 with the sample beam 1046 so that both beams pass through respective spectrometer pinholes that are substantially parallel. This makes it easier to align the spectrometer elements for both channels. This is because the reference beam enters the spectrometer parallel to the sample beam.

基準ビーム1048は、ビーム1046を反射するビーム分割鏡1045の表面と相互作用しないので、基準ビーム1048がビーム分割鏡1045を通過する際に基準強度の損失が全くない。基準ビーム1048がビーム分割鏡1045の裏面で鏡1043と相互作用する一方、光がビーム分割鏡1045を全く通過しなかったので、これらの2つの鏡は独立である。実際、ビーム分割鏡1045の2つの反射面を1つの光学要素上に一緒に設置するのが容易でない別の実施態様においては、反射面は別個の鏡要素上に存在する。   Since the reference beam 1048 does not interact with the surface of the beam splitting mirror 1045 that reflects the beam 1046, there is no loss of reference intensity as the reference beam 1048 passes through the beam splitting mirror 1045. Since the reference beam 1048 interacts with the mirror 1043 at the back of the beam splitting mirror 1045, no light has passed through the beam splitting mirror 1045, so these two mirrors are independent. Indeed, in another embodiment where it is not easy to place the two reflecting surfaces of the beam splitting mirror 1045 together on one optical element, the reflecting surfaces are on separate mirror elements.

凹面鏡1050の焦点距離は、基準ビーム1048が基準分光計ピンホール1056に集束するようなものである。基準分光計ピンホール1056を通り折り曲げ鏡1068で反射する光は、回折格子1070により拡散される。結果として生じる1次回折ビームは基準直線フォトダイオードアレイ1074によって集められ、それにより相対基準スペクトルを測定する。   The focal length of the concave mirror 1050 is such that the reference beam 1048 is focused on the reference spectrometer pinhole 1056. Light that passes through the reference spectrometer pinhole 1056 and is reflected by the bending mirror 1068 is diffused by the diffraction grating 1070. The resulting first order diffracted beam is collected by a reference linear photodiode array 1074, thereby measuring the relative reference spectrum.

偏光された試料ビーム1046は、ビーム分割鏡1045から対物レンズ1040へ向けて反射され、その場合試料ビーム1046はウェハ1003上に集束され、反射された試料ビーム1046’は対物レンズ1040によって試料分光計ピンホール1058上に集束される。反射された試料ビーム1046' は反射されたパス上でビーム分割鏡1045と相互作用しない。なぜならば、反射された試料ビーム1046’はビーム分割鏡1045の後ろのスペースを通され、ここを基準ビーム1048も通過するからである。試料1003からの反射された試料ビーム1046’からの放射は、それがピンホール1058に達する前に解析器1104を通る。試料分光計ピンホール1058を通り折り曲げ鏡1068で反射する光は、光の波長に従って回折格子1070により拡散される。基準ビームと同様、結果として生じる試料ビームの1次回折ビームが試料直線フォトダイオードアレイ1072によって集められ、それによって、試料偏光解析スペクトルを測定する。2つのビームが回折格子1070で交差するので、図10において試料ビーム1046と外見上整列されているフォトダイオードアレイは実際には基準ビーム1048用のフォトダイオードアレイであり、逆もまた同様である。偏光子1102および解析器1104は回転せず、好ましくは静止している。従って、解析器1104は、試料により変更され、固定偏光面に従って対物レンズ1040によって集められた放射を解析する。   The polarized sample beam 1046 is reflected from the beam splitting mirror 1045 toward the objective lens 1040, in which case the sample beam 1046 is focused on the wafer 1003 and the reflected sample beam 1046 ′ is reflected by the objective lens 1040 to the sample spectrometer. Focused on the pinhole 1058. The reflected sample beam 1046 ′ does not interact with the beam splitter 1045 on the reflected path. This is because the reflected sample beam 1046 ′ passes through the space behind the beam splitting mirror 1045, and the reference beam 1048 also passes there. Radiation from the reflected sample beam 1046 ′ from the sample 1003 passes through the analyzer 1104 before it reaches the pinhole 1058. The light that passes through the sample spectrometer pinhole 1058 and is reflected by the bending mirror 1068 is diffused by the diffraction grating 1070 according to the wavelength of the light. Similar to the reference beam, the resulting first order diffracted beam of the sample beam is collected by the sample linear photodiode array 1072, thereby measuring the sample ellipsometry spectrum. Since the two beams intersect at the diffraction grating 1070, the photodiode array that is apparently aligned with the sample beam 1046 in FIG. 10 is actually a photodiode array for the reference beam 1048, and vice versa. Polarizer 1102 and analyzer 1104 do not rotate and are preferably stationary. Accordingly, the analyzer 1104 analyzes the radiation that is changed by the sample and collected by the objective lens 1040 according to a fixed polarization plane.

相対反射率スペクトルは次に、各波長における試料光強度を、各波長における相対基準強度で単に割ることで得られる。典型的には、これには512回の除算計算を必要とし、その場合試料および基準スペクトルの記録に、512ダイオード直線フォトダイオードアレイを用い得る。好ましい実施態様においては、スペクトルは約190nm〜800ないし830nmに及ぶ。   The relative reflectance spectrum is then obtained by simply dividing the sample light intensity at each wavelength by the relative reference intensity at each wavelength. This typically requires 512 division calculations, in which case a 512 diode linear photodiode array may be used to record the sample and reference spectra. In a preferred embodiment, the spectrum ranges from about 190 nm to 800 to 830 nm.

親出願の本発明の1実施態様においては、回折格子1070は、凹面ホログラフィック格子であり、分光計ピンホールは15mm離れている。15mmの間隔ではどちらのビームも格子上で中心に置けないので、回折格子はホログラフィー的に補正されて複数のスペクトルを結像する。そのような格子の1つは、Instruments S.A.製のマルチプルスペクトルイメージング格子である。また、検出器の角度により、検出器からの反射が格子から離れて落ちるように、格子は設計される。   In one embodiment of the parent application, the diffraction grating 1070 is a concave holographic grating and the spectrometer pinholes are 15 mm apart. Since neither beam can be centered on the grating at 15 mm intervals, the diffraction grating is holographically corrected to image multiple spectra. One such grating is Instruments S.M. A. Multiple spectral imaging grating made by Also, depending on the detector angle, the grating is designed so that the reflection from the detector falls away from the grating.

フィールド照明を含み得る組合せビーム1042は、ビーム分割鏡1045からウェハ1003へ向けて反射される。反射率スペクトル測定およびオートフォーカスが実行されている時には、散乱光を最小限にするためにフィールド照明はオフである。   The combined beam 1042, which may include field illumination, is reflected from the beam splitter mirror 1045 toward the wafer 1003. When reflectance spectrum measurement and autofocus are being performed, field illumination is off to minimize scattered light.

図9および図10における偏光解析システム1008は、試料ビーム1046が本出願のシステムにおいては偏光される点が米国特許第5,747,813号(特許文献6)に記載のものと異なる。従って、試料ビーム1046が対物レンズ1040によって試料1003へ向けて反射される時、ウェハ上に集束されるビームは多重すなわち複数の異なる偏光状態を有している。これは図11A、図11Bを参照して、より明確に説明される。試料ビーム1046は、鏡1040aによって鏡1040bに向けて集束され、次に、図11Aに示すように、これが試料1003に向けてビームを集束する。図11Bは、ウェハ1003上に集束される時の、試料ビーム1046の照明アパーチャの概略図である。図11A、図11Bにおける種々の量は、円柱座標ρ、φおよびθを参照することにより定義され、ここでρは座標系中の点の半径(原点への距離)であり、φは前記点を含む試料面に垂直な面から試料表面に垂直な基準面への角度であり、θは法線から前記点と原点とを結ぶ線の試料表面への角度(法線への入射角)である。   The ellipsometry system 1008 in FIGS. 9 and 10 differs from that described in US Pat. No. 5,747,813 in that the sample beam 1046 is polarized in the system of the present application. Thus, when the sample beam 1046 is reflected toward the sample 1003 by the objective lens 1040, the beam focused on the wafer has multiple or multiple different polarization states. This will be explained more clearly with reference to FIGS. 11A and 11B. Sample beam 1046 is focused by mirror 1040a toward mirror 1040b, which then focuses the beam toward sample 1003 as shown in FIG. 11A. FIG. 11B is a schematic diagram of the illumination aperture of the sample beam 1046 when focused on the wafer 1003. The various quantities in FIGS. 11A and 11B are defined by referring to the cylindrical coordinates ρ, φ and θ, where ρ is the radius of the point in the coordinate system (distance to the origin) and φ is the point Is the angle from the surface perpendicular to the sample surface to the reference surface perpendicular to the sample surface, and θ is the angle from the normal line to the sample surface (incident angle to the normal line) connecting the point and the origin is there.

図11Aに関しては、偏光子1102が、φP の平面により定義される偏光平面を有し、それによって偏光子から出てビーム分割1045により反射された試料ビーム1046もこの偏光を有すると仮定している。ビーム1046が最初に鏡1040aにより、次に試料1003の上にビームを集束する鏡1040bにより反射される場合、試料1003上に集束されたビームは、図11A、図11bに示されるように、種々の入射面に到着する。図11Bでは、ビーム1046の偏光面φP は1103で示される。 With respect to FIG. 11A, assume that the polarizer 1102 has a polarization plane defined by the plane of φ P , so that the sample beam 1046 exiting the polarizer and reflected by the beam splitting 1045 also has this polarization. Yes. If the beam 1046 is reflected first by the mirror 1040a and then by the mirror 1040b that focuses the beam on the sample 1003, the beam focused on the sample 1003 can be various as shown in FIGS. 11A and 11b. Arrives at the entrance surface of In FIG. 11B, the polarization plane φ P of the beam 1046 is indicated by 1103.

上記の説明から、ビーム分割鏡1045は、偏光されたビームの約半分を屈曲して試料ビーム1046とし、ビームの残り半分を基準ビーム1048として通す。この理由のため、図11Bの照明アパーチャ(斜線領域1106)は、ほぼ半円形となって現れる。従って、対物レンズ1040によって試料1003上に集束された放射は、半円形領域に広がる入射面で試料上に入射する。前記領域における角度φの1つの値で1つの入射面でウェハ上に入射する放射は、その領域における別の角度φを有する入射面の放射とは異なるs−およびp−偏光を有する。種々の入射面の放射のs−およびp−偏光は、定義により、種々の方位を有し、それにより1つの入射面における入射放射の偏光状態は、別の入射面における放射のそれとは異なる。従って、試料1003に入射する放射は、φの関数として多数すなわち複数の偏光状態を有する。   From the above description, the beam splitting mirror 1045 bends approximately half of the polarized beam into the sample beam 1046 and passes the other half of the beam as the reference beam 1048. For this reason, the illumination aperture (shaded area 1106) in FIG. 11B appears in a substantially semicircular shape. Therefore, the radiation focused on the sample 1003 by the objective lens 1040 is incident on the sample with an incident surface extending in a semicircular region. Radiation incident on the wafer at one incidence surface at one value of angle φ in the region has s- and p-polarizations different from radiation of an incidence surface having another angle φ in the region. The s- and p-polarizations of radiation at different entrance planes, by definition, have different orientations, so that the polarization state of incident radiation at one entrance plane is different from that of radiation at another entrance plane. Accordingly, the radiation incident on the sample 1003 has multiple or multiple polarization states as a function of φ.

試料1003上に集束されるビームは、以下で説明されるように、試料ビーム1046と比べ、対物レンズ1040a、1040bの組合せ反射係数に応じて強度が減少する。試料ビーム1046から出て、対物レンズ1040によって試料上に集束される放射は試料により反射され、それにより再度強度が減少し、試料の反射係数の関数として各偏光成分の位相が変わる。そのような放射は、対物レンズ1040により反射され、ビーム分割1045および解析器1104を通り分光器へ送られる。好ましい実施態様においては、放射を試料上に集束するために用いられる同じ対物レンズを、解析器および分光器へ向けて反射された放射を集めるためにも用いることができる一方で、これは必要とされず、かつ別の集光対物レンズを集束対物レンズに加えて用いることができ、そのようなおよび他の変更形態は親出願の発明および本出願の範囲に入ることが理解できるであろう。   The beam focused on the sample 1003 decreases in intensity according to the combined reflection coefficient of the objective lenses 1040a and 1040b as compared with the sample beam 1046, as will be described below. Radiation emanating from the sample beam 1046 and focused onto the sample by the objective lens 1040 is reflected by the sample, thereby again reducing its intensity and changing the phase of each polarization component as a function of the sample's reflection coefficient. Such radiation is reflected by objective lens 1040 and passes through beam splitting 1045 and analyzer 1104 to the spectrometer. In a preferred embodiment, the same objective lens that is used to focus the radiation onto the sample can also be used to collect the reflected radiation towards the analyzer and spectrometer, while this is necessary It will be appreciated that additional focusing objectives can be used in addition to the focusing objective, and that such and other variations are within the scope of the parent application and the present application.

図11Bの座標(ρ,φ)を有する点1105から半円形照明アパーチャへ、試料表面上の原点に向かって方向φP に沿って偏光して入射する放射を考える。この点における電場は、次のように、図11A、図11Bに示されるs−およびp−偏光に分解できる。

Figure 0005368507
式中、Einは偏光子1102による偏光後のビーム1046中の放射の電場、E0 はその振幅、Es in、Ep inはs−およびp−偏光に沿った放射の成分である。放射が対物レンズを出た後は、以下のようになる。
Figure 0005368507
式中、Eout は試料1003による反射後のビーム1046中の放射の電場、Es out 、Ep out s−およびp−偏光に沿った成分、さらにrs s (ro s )およびrs p (ro p )は試料(対物レンズ)についてのs−およびp−偏光についての反射係数である。対物レンズについての反射係数は、図11Aに示されるような2つの鏡の反射係数の積、すなわちro s =ro1 so2 s およびro p =ro1 po2 p である。φa の偏光面を有する解析器通過後、分光計における電界は、pa に沿って以下のように得られるであろう。
Figure 0005368507
検出器電流は以下のように表現できる。
Figure 0005368507
もし偏光子1102が省略されれば、半円形アパーチャについての検出器電流は以下のようになる。
Figure 0005368507
式(16)において、Ro s 、Rs s 、Ro p 、Rs p はそれぞれ|ro s2 、|rs s2 、|ro p2 、|rs p2 として定義される。ro s 、rs s 、ro p およびrs p が入射角の関数、すなわちρの関数であることは銘記しておかなければならない。図9〜図11Bに示されるように偏光子1102が所定位置にある場合には、分光器における強度が試料および対物レンズのs−およびp−反射率の関数ならびにΔo 、Δs の関数である場合に一般式を導くことができ、Δo 、Δs は式、
Figure 0005368507
(式中、rs p 、rs s はp−およびs−偏光における放射の試料表面の複合反射係数であり、ro p 、ro s はp−およびs−偏光における放射の対物レンズの複合反射係数である)で定義され、式中、Ψo 、Ψs 、Δo およびΔs もエリプソメトリックパラメータである。従って、システム1008は偏光感受性である。 Consider radiation incident from a point 1105 having the coordinates (ρ, φ) of FIG. 11B into the semicircular illumination aperture, polarized and directed along the direction φ P toward the origin on the sample surface. The electric field at this point can be decomposed into s- and p-polarized light shown in FIGS. 11A and 11B as follows.
Figure 0005368507
Where E in is the electric field of radiation in the beam 1046 after polarization by the polarizer 1102, E 0 is its amplitude, E s in , E p in are the components of the radiation along the s- and p-polarizations. After the radiation exits the objective lens:
Figure 0005368507
Where E out is the electric field of radiation in the beam 1046 after reflection by the sample 1003, E s out , E p out s− and components along the p-polarization, and r s s (r o s ) and r s. p (r o p ) is the reflection coefficient for s- and p-polarized light for the sample (objective lens). The reflection coefficient for the objective lens is the product of the reflection coefficients of the two mirrors as shown in FIG. 11A, ie, r o s = r o1 s r o2 s and r o p = r o1 p r o2 p . After passing through an analyzer with a polarization plane of φ a, the electric field in the spectrometer will be obtained along p a as follows:
Figure 0005368507
The detector current can be expressed as:
Figure 0005368507
If the polarizer 1102 is omitted, the detector current for the semicircular aperture is:
Figure 0005368507
In the formula (16), R o s, R s s, R o p, R s p are each | r o s | 2, | r s s | 2, | r o p | 2, | r s p | 2 Is defined as It should be noted that r o s , r s s , r o p and r s p are functions of the incident angle, i.e. ρ. As shown in FIGS. 9-11B, when the polarizer 1102 is in place, the intensity at the spectroscope is a function of the s- and p-reflectances of the sample and objective lens as well as a function of Δ o , Δ s . In some cases, a general formula can be derived, where Δ o and Δ s are
Figure 0005368507
(Where r s p , r s s are the combined reflection coefficients of the sample surface of radiation in p- and s-polarized light, and r o p , r o s are the objective lens of radiation in p- and s-polarized light. Where Ψ o , Ψ s , Δ o and Δ s are also ellipsometric parameters. Thus, system 1008 is polarization sensitive.

以下にはいくつかの特殊なケースが示してある。
A.φ0 =π

Figure 0005368507
システムがΔにおける変化に対し感受性を有するには、2(φp −φa )=mπである。もしφp =φa'であれば下記のようになる。
Figure 0005368507
B.φ0 =π/2
Figure 0005368507
もしφp =φa =π/2であれば下記のようになる。
Figure 0005368507
Below are some special cases.
A. φ 0 = π
Figure 0005368507
For the system to be sensitive to changes in Δ, 2 (φ p −φ a ) = mπ. If φ p = φ a ′ , then
Figure 0005368507
B. φ 0 = π / 2
Figure 0005368507
If φ p = φ a = π / 2, then:
Figure 0005368507

上記の解析から、式(18)および(20)の第3項の余弦係数cos(Δo +Δs )は、偏光子および解析器角度が同じである場合に、すなわち偏光子1102および解析器1104が実質的に同じ偏光面を有するときに最大になる。換言すれば、図12に示すように、偏光子および解析器の双方として作動するように、単独の偏光子を使用できる。図12に示すように、偏光子1116を用いて、偏光子1102および解析器1104に代えることができる。フォトダイオードアレイの試料チャネルは式(19)に比例する。この構成において、偏光子は1つだけ必要で、偏光子および解析器は自己整列される。さらに別の選択肢として、もし分割器1045が偏光ビームスプリッタであれば、偏光子1102および解析器1104はすべて省き得る。膜厚検出感度を高めるため、点線で示した波長板または他のリターダ要素1190を、図9のビーム分割器1045と解析器1104との間に挿入して、式(18)、(20)の第3項の余弦係数cos(Δo +Δs )の独立変数に位相のずれを導入することができる。好ましくは、解析および拡散に先がけて要素190により引き起こされる集められた放射中の位相のずれは、約π/4である。鏡1040a、1040bの鏡面コーティング厚さも、薄膜厚さ検出における感度を向上させるために選択することができ、それにより鏡1040a、1040bによって集束かつ集められた放射における位相中の総変化は約π/2である。これにより、次に式(18)、(20)の第3項中の余弦係数cos(Δo +Δs )の独立変数中でΔo がπ/2になり、それによってこれらの式中の余弦項が正弦項に変換する。 From the above analysis, the cosine coefficient cos (Δ o + Δ s ) of the third term of equations (18) and (20) is the same when the polarizer and analyzer angles are the same, ie polarizer 1102 and analyzer 1104. Is maximized when they have substantially the same plane of polarization. In other words, a single polarizer can be used to operate as both a polarizer and an analyzer, as shown in FIG. As shown in FIG. 12, a polarizer 1116 can be used to replace the polarizer 1102 and the analyzer 1104. The sample channel of the photodiode array is proportional to equation (19). In this configuration, only one polarizer is required and the polarizer and analyzer are self-aligned. As yet another option, if the splitter 1045 is a polarizing beam splitter, the polarizer 1102 and analyzer 1104 can all be omitted. In order to increase the film thickness detection sensitivity, a wave plate or other retarder element 1190 indicated by a dotted line is inserted between the beam splitter 1045 and the analyzer 1104 in FIG. 9 to obtain the equations (18) and (20). A phase shift can be introduced into the independent variable of the cosine coefficient cos (Δ o + Δ s ) of the third term. Preferably, the phase shift in the collected radiation caused by element 190 prior to analysis and diffusion is about π / 4. The mirror coating thickness of mirrors 1040a, 1040b can also be selected to improve sensitivity in thin film thickness detection, so that the total change in phase in the radiation focused and collected by mirrors 1040a, 1040b is approximately π / 2. This then causes Δ o to be π / 2 in the independent variable of the cosine coefficient cos (Δ o + Δ s ) in the third term of equations (18), (20), thereby causing the cosines in these equations to The term is converted to a sine term.

アレイ1072における検出器電流について測定された偏光解析スペクトルは、試料1003についての有用な情報を導出するために用い得る。例えば、試料1003上の多くの異なる層の材料タイプが既知で、それによりそれらの屈折率が推定できるのであれば、そのような検出器電流は、層の厚さおよび正確な屈折率を導出するのに十分なものであり得る。そのような導出のための方法は当業者には公知であり、ここで詳細に論じる必要はない。代わりに、検出器信号は、膜厚および屈折率を導出するために偏光解析測定と組み合わせることができる。偏光解析システムにおいて検出用に広帯域放射を使うことは有利である。なぜならば、多くの異なる波長でデータ点を得ることができるからである。データ点がそのように豊富にあることは、試料上の複数層の厚さと屈折率を求めるのに非常に有用であり、より正確な曲線当てはめアルゴリズムの適用または測定精度を照合することが可能になり得る。   The ellipsometric spectrum measured for the detector current in array 1072 can be used to derive useful information about sample 1003. For example, if the material types of many different layers on the sample 1003 are known so that their refractive index can be estimated, such a detector current derives the layer thickness and the exact refractive index. Can be sufficient. Methods for such derivation are known to those skilled in the art and need not be discussed at length here. Alternatively, the detector signal can be combined with ellipsometric measurements to derive film thickness and refractive index. It is advantageous to use broadband radiation for detection in ellipsometry systems. This is because data points can be obtained at many different wavelengths. Such an abundance of data points is very useful for determining the thickness and refractive index of multiple layers on a sample, allowing more accurate curve fitting algorithms to be applied or to verify measurement accuracy. Can be.

システム1008は、試料表面の他のパラメータの検出にも用い得る。図、特に図11A、図11Bに関連する上記式および説明から、フォトダイオードアレイ1072の分光計により検出された反射スペクトルはΔに関する情報を用いており、これは、偏光解析パラメータで、偏光解析において一般的に使用され、試料表面における膜厚および屈折率と関連している。従って、試料表面の一定の側面が既知であれば、そのような既知の側面を、システム1008により測定した偏光解析パラメータ関連情報と組合せて、膜厚や屈折率などの試料についての有用な情報を導出し得る。   System 1008 can also be used to detect other parameters of the sample surface. From the above equations and explanations relating to the figures, in particular FIG. 11A and FIG. 11B, the reflection spectrum detected by the spectrometer of the photodiode array 1072 uses information about Δ, which is an ellipsometric parameter in ellipsometry. It is commonly used and is related to the film thickness and refractive index at the sample surface. Thus, if certain aspects of the sample surface are known, such known aspects can be combined with ellipsometric parameter related information measured by system 1008 to provide useful information about the sample such as film thickness and refractive index. Can be derived.

好ましい実施態様においては、フォトダイオードアレイ1072から得られたスペクトルは、偏光解析パラメータを導出するために、フォトダイオードアレイ1074からの基準スペクトルと比較され、それにより、信号対雑音比が改善される。しかしながら、いくつかの用途については、そのような偏光解析パラメータは、基準スペクトルを使用することなく、反射スペクトルだけから導出し得る。そのような用途については、基準ビーム1048は必要とされず、ビーム1048の発生に伴うすべての成分および基準スペクトルを図9および図10において省略し得る。そのようなおよび他の変化は、親出願および本出願の発明の範囲内にある。   In a preferred embodiment, the spectrum obtained from the photodiode array 1072 is compared to a reference spectrum from the photodiode array 1074 to derive ellipsometric parameters, thereby improving the signal to noise ratio. However, for some applications, such ellipsometric parameters can be derived from the reflection spectrum alone without using the reference spectrum. For such applications, the reference beam 1048 is not required, and all components and reference spectra associated with the generation of the beam 1048 may be omitted in FIGS. Such and other variations are within the scope of the invention of the parent application and the present application.

図9の組合せ計測器の分光エリプソメータ1300を説明する。図9に示すように、キセノンアークランプ1010から出て、フォーカス1018、1020を通った放射の一部が、ビームスプリッタ1302によって光ファイバケーブル1304へ方向転換され、このファイバが放射をコリメータ1306へ供給する。平行にされた後、ビームは偏光子1310により偏光され、集束鏡1312によりウェハ1003に集束される。そのようなビームの反射は収集鏡1314により集められ、折り曲げ鏡1316によって反射され、検出のために分光計1322および検出器1324に供給される前に解析器1320を通される。偏光子1310および解析器1320は、ウェハ1003での反射によって引き起こされたビーム1308の偏光状態における変化の振幅および位相が測定できるように、相互に回転される。分光エリプソメータ1300の操作のより詳細な説明については、米国特許第5,608,526号(特許文献2)を参照されたい。   The spectroscopic ellipsometer 1300 of the combination measuring instrument in FIG. 9 will be described. As shown in FIG. 9, a portion of the radiation exiting the xenon arc lamp 1010 and through the focus 1018, 1020 is redirected by the beam splitter 1302 to the fiber optic cable 1304, which provides the radiation to the collimator 1306. To do. After being collimated, the beam is polarized by a polarizer 1310 and focused on a wafer 1003 by a focusing mirror 1312. Such beam reflections are collected by collection mirror 1314, reflected by folding mirror 1316, and passed through analyzer 1320 before being supplied to spectrometer 1322 and detector 1324 for detection. Polarizer 1310 and analyzer 1320 are rotated relative to each other so that the amplitude and phase of changes in the polarization state of beam 1308 caused by reflection at wafer 1003 can be measured. For a more detailed description of the operation of the spectroscopic ellipsometer 1300, see US Pat. No. 5,608,526.

薄膜層を有する試料を測定するには、図9に示すように、偏光解析パラメータ測定用システム1008および分光エリプソメータ1300を含む組合せ計測器を用いることが望ましいことがある。システム1008および分光エリプソメータ1300は、試料ビーム1046および試料ビーム1308がウェハ1003上の実質的に同じスポットに集束されるように配置される。システム1008により測定された偏光解析パラメータは次に、膜厚や膜屈折率などの有用な情報を導出するために、システム1300により測定されたエリプソメトリックパラメータと組み合わせることができる。システム1008により得られた偏光解析パラメータおよびシステム1300を用いて得られたエリプソメトリックパラメータは、「"ANALYSIS OF SEMICONDUCTOR SURFACES WITH VERY THIN NATIVE OXIDE LAYERS BY COMBINED IMMERSION AND MULTIPLE ANGLE OF INCIDENCE ELLIPSOMETRY", Ivan OHLIDAL and Frantisek LUKES," Applied Surface Science 35 (1988-89) 259-273, North Holland, Amsterdam 」(非特許文献1)に記載されるような技術と組み合わせることができる。   To measure a sample having a thin film layer, it may be desirable to use a combination instrument including an ellipsometric parameter measurement system 1008 and a spectroscopic ellipsometer 1300 as shown in FIG. System 1008 and spectroscopic ellipsometer 1300 are positioned such that sample beam 1046 and sample beam 1308 are focused on substantially the same spot on wafer 1003. The ellipsometric parameters measured by the system 1008 can then be combined with the ellipsometric parameters measured by the system 1300 to derive useful information such as film thickness and film refractive index. Ellipsometric parameters obtained with system 1008 and ellipsometric parameters obtained with system 1300 are "" ANALYSIS OF SEMICONDUCTOR SURFACES WITH VERY THIN NATIVE OXIDE LAYERS BY COMBINED IMMERSION AND MULTIPLE ANGLE OF INCIDENCE ELLIPSOMETRY ", Ivan OHLIDAL and Frantisek. LUKES, “Applied Surface Science 35 (1988-89) 259-273, North Holland, Amsterdam” (Non-Patent Document 1) can be used in combination.

いくつかの分光エリプソメータのスペクトル範囲がたとえ、約157nmのような深UVにまで拡がっていなくても、組合せ計測器を用いることにより、そのような波長における屈折率を正確に測定することが可能である。従って、組合せ計測器は、分光エリプソメータと偏光計システム1008の組合せスペクトルにわたり屈折率を測定するために用い得る。組合せ計測器、ならびにシステム1008および分光エリプソメータ双方からのデータを使うことにより、分光エリプソメータのスペクトル中の波長において試料の種々の膜の厚さおよび屈折率を見出し得る。この厚さ情報は、組合せ計測器からのデータと共に用いて、深紫外部領域における膜の屈折率を見出し得る。アレイ1072、1074中の検出器の数および分光計1322中の検出器1324は、所望の波長で最適な結果でデータを得るために選択し得る。   Even if the spectral range of some spectroscopic ellipsometers does not extend to deep UV, such as about 157 nm, it is possible to accurately measure the refractive index at such wavelengths by using a combination instrument. is there. Thus, the combination meter can be used to measure the refractive index across the combined spectrum of the spectroscopic ellipsometer and polarimeter system 1008. By using data from both the combination instrument and the system 1008 and the spectroscopic ellipsometer, the thickness and refractive index of the various films of the sample can be found at wavelengths in the spectroscopic ellipsometer spectrum. This thickness information can be used in conjunction with data from the combination instrument to find the refractive index of the film in the deep ultraviolet region. The number of detectors in arrays 1072, 1074 and detector 1324 in spectrometer 1322 can be selected to obtain data with optimal results at the desired wavelength.

代わりの実施態様においては、試料ビーム1046、1308は、ウェハ1003上の同じスポットに集束する必要がない。ウェハ1003は回転または直線的平行移動、あるいはこの2つの運動の組合せにより、従来のやり方で移動することができ、それにより、システム1008により測定されたスポットは続いてシステム1300により測定され、その逆もまた同様であり、さらに同じスポットを測定するこれら2つのシステムにより得られたデータは上記と同じやり方で組み合わせることができる。回転および平行移動の運動は制御されるので、2つのシステム1008、1300により測定されているスポットの相対的な位置は相関させ得る。   In an alternative embodiment, the sample beams 1046, 1308 need not be focused on the same spot on the wafer 1003. Wafer 1003 can be moved in a conventional manner by rotation or linear translation, or a combination of the two movements, so that spots measured by system 1008 are subsequently measured by system 1300 and vice versa. Similarly, the data obtained by these two systems measuring the same spot can be combined in the same way as described above. Since the rotational and translational movements are controlled, the relative positions of the spots being measured by the two systems 1008, 1300 can be correlated.

好ましくは、説明したように分光エリプソメータは偏光解析システム1008と組み合わされる一方、システム1008を単一波長エリプソメータと組み合わせることも可能である。この目的のためには、図9の配置は、鏡1321と検出器1324との間の、分光計1322の光学パス中の回折格子を取り去ることによって若干修正する必要がある。偏光解析スペクトル中の波長を有するレーザが、単一波長エリプソメータ用放射源として用い得る。単一波長エリプソメータおよびシステム1008によって測定を行なうことにより、偏光解析スペクトルにわたる波長での膜厚および屈折率を導出することがそれでも可能である。   Preferably, the spectroscopic ellipsometer is combined with the ellipsometric system 1008 as described, while the system 1008 can be combined with a single wavelength ellipsometer. For this purpose, the arrangement of FIG. 9 needs to be slightly modified by removing the diffraction grating in the optical path of spectrometer 1322 between mirror 1321 and detector 1324. A laser having a wavelength in the ellipsometric spectrum can be used as a radiation source for a single wavelength ellipsometer. By making measurements with a single wavelength ellipsometer and system 1008, it is still possible to derive film thickness and refractive index at wavelengths across the ellipsometric spectrum.

図9〜13Bを参照しての上記説明は、本質的に親出願から取られたものである。   The above description with reference to FIGS. 9-13B is taken essentially from the parent application.

図9のエリプソメータ1300が自己較正するためには、このエリプソメータを図1、図3、および図7C〜図7Hのスキーマのいずれか1つに従って修正し、エリプソメータのパラメータならびに試料特性を決定するのに十分な情報を提供するために5以上の高調波を提供するようにする必要がある。言い換えると、偏光子1310は、回転偏光子206および固定偏光子214の一方または双方を含む組合せのいずれか1つで置き換えることができ、さらに解析器1320は、図7C〜図7Hに示される固定解析器226および回転解析器212の一方または双方の組合せで置き換えることができる。代わりに、エリプソメータ1300は、偏光子1310と試料との間の放射のパスおよび/または試料と解析器1320との間のパスに位相変調器(位相リターダなど)を挿入することによって変更できる。   In order for the ellipsometer 1300 of FIG. 9 to self-calibrate, the ellipsometer is modified according to any one of the schemas of FIGS. 1, 3, and 7C-7H to determine ellipsometer parameters and sample characteristics. In order to provide sufficient information, it is necessary to provide more than 5 harmonics. In other words, the polarizer 1310 can be replaced with any one of a combination including one or both of the rotating polarizer 206 and the fixed polarizer 214, and the analyzer 1320 can also be fixed as shown in FIGS. 7C-7H. One or a combination of analyzer 226 and rotation analyzer 212 can be replaced. Alternatively, the ellipsometer 1300 can be modified by inserting a phase modulator (such as a phase retarder) in the path of radiation between the polarizer 1310 and the sample and / or the path between the sample and the analyzer 1320.

エリプソメータ1300の様々なシステムパラメータならびに試料1003のエリプソメトリックパラメータを導出するために上で説明したやり方と同じやり方で、分光計1322の出力はプロセッサ(図示しないが、機能においてはプロセッサ30と同様である)により処理され、それによりエリプソメータ1300は上述したすべての付随する利点を備える自己較正機能を有するようになる。エリプソメータ1300の自己較正機能の特徴は、図9の偏光計1008などの、これと共に用いられる他のいずれか光学計測器に有利に適用できる。1つの実施態様において、計測器1008、1300の双方は同じ試料1003の測定に使用でき、双方の計測器の出力は、試料特性ならびに試料1003の測定をより正確なものにするためのエリプソメータ1300のパラメータを導出するために用い得る。別の実施態様においては、自己較正型エリプソメータ1300は、以下で説明するように、偏光計1008の較正に用い得る。   In the same manner as described above for deriving the various system parameters of the ellipsometer 1300 as well as the ellipsometric parameters of the sample 1003, the output of the spectrometer 1322 is similar to the processor 30 in function (not shown but functionally). ) So that the ellipsometer 1300 has a self-calibration function with all the attendant advantages described above. The self-calibration feature of the ellipsometer 1300 can be advantageously applied to any other optical instrument used with it, such as the polarimeter 1008 of FIG. In one embodiment, both instruments 1008, 1300 can be used to measure the same sample 1003, and the output of both instruments can be used to measure the sample characteristics as well as the ellipsometer 1300 to make the measurement of the sample 1003 more accurate. Can be used to derive parameters. In another embodiment, the self-calibrating ellipsometer 1300 can be used to calibrate the polarimeter 1008 as described below.

エリプソメータは、エリプソメータのハウジング内に比較的安定した環境中に保持された内部標準試料を一般的に備えている。別の実施態様においては、エリプソメータ1300のようなエリプソメータのそのような内部標準試料は、他の光学計測器の較正用の標準を提供するために使用できる。従って、もし試料1003がエリプソメータ1300の内部標準試料であれば、膜厚や屈折率などの試料特性は、上述のような自己較正エリプソメータ1300によって正確に測定でき、さらにそのような標準試料は較正基準を、偏光計1008などの他の光学計測器に提供できる。エリプソメータ1300が自己較正式なので、その較正にはどのような外部較正基準も必要とされず、それによりユーザは、他の光学計測器用の較正基準を提供するために内部標準試料1003の特性が正確に測定されたと確信し得る。   Ellipsometers typically include an internal standard sample held in a relatively stable environment within the ellipsometer housing. In another embodiment, such an internal standard sample of an ellipsometer, such as ellipsometer 1300, can be used to provide a standard for calibration of other optical instruments. Therefore, if the sample 1003 is an internal standard sample of the ellipsometer 1300, sample characteristics such as film thickness and refractive index can be accurately measured by the self-calibration ellipsometer 1300 as described above. Can be provided to other optical instruments such as a polarimeter 1008. Since the ellipsometer 1300 is self-calibrating, no external calibration standards are required for its calibration so that the user can accurately characterize the internal standard 1003 to provide calibration standards for other optical instruments. You can be sure that it was measured.

自己較正エリプソメータ1300を偏光計1008と組み合わせる代わりに、エリプソメータを、偏光子1002と解析器1004を偏光計1008から単に取り去ることによって分光反射率計と組合せ得る。明らかに、広帯域源の代わりに狭帯域放射源が用いられる場合、狭帯域反射率計をエリプソメータ1300と組合せ得る。代わりに、自己較正エリプソメータ1300を、別のエリプソメータ(単一波長または広帯域)またはどのような他のタイプの光学式試料計測器と組み合わせて使用できる。双方の計測器の出力は、試料特性ならびにエリプソメータ1300の特性、またはエリプソメータ1300と組み合わせた他の計測器の特性を導出するために、上記と本質的に同じやり方で用い得る。すべてのそのような組合せは本発明の範囲内にある。   Instead of combining the self-calibrating ellipsometer 1300 with the polarimeter 1008, the ellipsometer can be combined with the spectral reflectometer by simply removing the polarizer 1002 and analyzer 1004 from the polarimeter 1008. Obviously, a narrowband reflectometer can be combined with the ellipsometer 1300 if a narrowband radiation source is used instead of a broadband source. Alternatively, the self-calibrating ellipsometer 1300 can be used in combination with another ellipsometer (single wavelength or broadband) or any other type of optical sample meter. The outputs of both instruments can be used in essentially the same manner as described above to derive sample characteristics as well as characteristics of ellipsometer 1300 or other instruments in combination with ellipsometer 1300. All such combinations are within the scope of the present invention.

国際出願第PCT/US98/11562号(特許文献3)では、安定波長較正エリプソメータが、標準試料上の膜厚を正確に決定するために用いられる。この較正エリプソメータからの測定結果は、他の光学計測器を較正するために用いられる。しかしながら、安定波長較正エリプソメータが、標準試料上の膜厚を正確に決定することによって較正標準を提供するためには、エリプソメータの安定波長較正自体が正確に較正されなければならない。従って、安定波長較正エリプソメータの較正自体は、容易に利用可能またはそうでない他の較正基準に頼らなければならない。本発明の自己較正エリプソメータにはそのような欠点が全くない。このエリプソメータの様々なパラメータは、どのような事前の較正を行なうこともまたはどのような他の較正標準に頼ることもなく導出し得るので、上述の問題は回避される。   In International Application No. PCT / US98 / 11562, a stable wavelength calibration ellipsometer is used to accurately determine the film thickness on a standard sample. Measurement results from this calibration ellipsometer are used to calibrate other optical instruments. However, in order for a stable wavelength calibration ellipsometer to provide a calibration standard by accurately determining the film thickness on a standard sample, the stable wavelength calibration of the ellipsometer itself must be accurately calibrated. Therefore, the calibration of the stable wavelength calibration ellipsometer itself must rely on other calibration standards that are readily available or not. The self-calibrating ellipsometer of the present invention has no such disadvantages. Since the various parameters of this ellipsometer can be derived without any pre-calibration or relying on any other calibration standard, the above problems are avoided.

表面粗さなどの特定の試料特性は、試料に適用された放射の偏光解消を引き起こすことがある。従って、試料により引き起こされた放射の偏光解消を測定することにより、表面粗さなどの試料表面特性を確認できる。表面粗さを求めるための偏光解消測定の例については、引用により本願に組み込まれる、「"Rotating-compensator multichannel ellipsometry for characterization of the evolution of nonuniformities in diamond thin-film growth," Joungchel Lee et al., Applied Physics Letters, Vol. 72, No. 8, February 23, 1998, pp. 900-902」(非特許文献2)を参照されたい。これは、膜厚情報および試料により引き起こされた放射の偏光解消を測定するエリプソメータ(自己較正式であるかどうかを問わず)によって実行できる。エリプソメータが、試料により引き起こされた放射の偏光状態の変化を測定するために用い得るので、膜厚情報ならびに試料により引き起こされた偏光解消は、偏光状態のそのような変化に関する十分な情報が提供されるのであれば、偏光解析測定から求めることができる。このことは通常、放射の偏光状態がある周波数で変調される場合、およびそのような変調周波数の5つ以上の高調波における信号成分をエリプソメータの出力が提供する場合に、試料により引き起こされた偏光解消を求めるのに十分な情報が提供されることを意味している。好ましくは、図1、図3および図7C〜図7Hの構成のいずれか1つの自己較正エリプソメータが測定を実行するために用い得る。好ましくは、エリプソメータ1300は、エリプソメータのパラメータ特性ならびに試料の膜厚および試料により引き起こされた偏光解消を導出するため、同じ測定出力中の十分な情報が提供されるようなものであり、いくつかの用途については、エリプソメータの構成は、好ましくは、エリプソメータ検出器出力が、変調周波数の5つ以上の高調波を含むようなものである。より多くの情報を提供するため、エリプソメータ1300が波長のあるスペクトルにわたって測定し、そのスペクトルにわたる種々の波長での出力を提供することも好ましいことがある。膜厚情報および試料により引き起こされた放射の偏光解消を測定するためにエリプソメータを使用する前に、最初にエリプソメータの内部標準試料によって自己較正手順を実行することも可能である。   Certain sample properties, such as surface roughness, can cause depolarization of radiation applied to the sample. Therefore, by measuring the depolarization of the radiation caused by the sample, the sample surface properties such as surface roughness can be confirmed. For examples of depolarization measurements to determine surface roughness, see "" Rotating-compensator multichannel ellipsometry for characterization of the evolution of nonuniformities in diamond thin-film growth, "Joungchel Lee et al., See Applied Physics Letters, Vol. 72, No. 8, February 23, 1998, pp. 900-902 (Non-Patent Document 2). This can be done with an ellipsometer (whether self-calibrating or not) that measures film thickness information and depolarization of the radiation caused by the sample. Since an ellipsometer can be used to measure changes in the polarization state of the radiation caused by the sample, the film thickness information as well as the depolarization caused by the sample provides sufficient information about such changes in the polarization state. If it is, it can obtain | require from ellipsometry measurement. This is usually due to the polarization induced by the sample when the polarization state of the radiation is modulated at a certain frequency and when the ellipsometer output provides signal components at five or more harmonics of such modulation frequency. It means that enough information is provided to seek resolution. Preferably, a self-calibrating ellipsometer of any one of the configurations of FIGS. 1, 3 and 7C-7H can be used to perform the measurement. Preferably, the ellipsometer 1300 is such that sufficient information is provided in the same measurement output to derive ellipsometer parameter characteristics and sample film thickness and depolarization caused by the sample, For application, the ellipsometer configuration is preferably such that the ellipsometer detector output includes five or more harmonics of the modulation frequency. In order to provide more information, it may be preferable for the ellipsometer 1300 to measure over a spectrum of wavelengths and provide output at various wavelengths across that spectrum. It is also possible to first perform a self-calibration procedure with the ellipsometer's internal standard sample before using the ellipsometer to measure film thickness information and depolarization of the radiation caused by the sample.

図9に示す組合せ計測器1300、1008は、試料により引き起こされた放射の偏光解消を測定するために使用でき、その場合、単一測定において、双方のシステム1008、1300の出力は、試料の膜厚情報、試料により引き起こされた放射の偏光解消ならびにエリプソメータ1300のパラメータを導出するために用いられる。このプロセスは、エリプソメータ1300の様々なシステムパラメータをプロセス中に含めることによる、上で引用したIvan OhlidalおよびFrantisek Lukesの論文中に記載される技術の単純な拡張である。そのようなプロセスは、現在の用途を勘案して当業者には公知であり、ここでは詳細に説明しない。好ましくは、エリプソメータ1300は、波長のあるスペクトルにわたって測定し、試料特性およびエリプソメータのシステムパラメータを導出するのに十分な情報を提供する。   The combined instrument 1300, 1008 shown in FIG. 9 can be used to measure the depolarization of the radiation caused by the sample, in which case the output of both systems 1008, 1300 is the sample membrane in a single measurement. It is used to derive thickness information, depolarization of the radiation caused by the sample, and ellipsometer 1300 parameters. This process is a simple extension of the technique described in the Ivan Ohlidal and Frantisek Lukes paper cited above by including various system parameters of the ellipsometer 1300 in the process. Such processes are known to those skilled in the art in view of their current application and will not be described in detail here. Preferably, the ellipsometer 1300 measures over a spectrum of wavelengths and provides sufficient information to derive sample properties and ellipsometer system parameters.

本発明を種々の実施態様を参照して上記で説明したきたが、本発明の範囲を逸脱することなく変更および修正が行なえることが理解されるであろうし、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその同等物によってのみ定義されるべきである。従って、上述の種々の計算およびアルゴリズムを実行するためにプロセッサが使用されるが、専用回路、個別部品の形で実装されたそのような計算用のプログラマブルロジックコントローラまたは集積回路などの他の回路を用い得ることおよびそれらは本発明の範囲内にあることが理解されるであろう。   Although the present invention has been described above with reference to various embodiments, it will be understood that changes and modifications can be made without departing from the scope of the present invention, the scope of which is It should be defined only by the claims and the equivalents thereof. Thus, a processor is used to perform the various calculations and algorithms described above, but other circuits such as dedicated circuits, programmable logic controllers for such calculations or integrated circuits implemented in the form of discrete components. It will be understood that they can be used and that they are within the scope of the present invention.

Claims (22)

試料を測定するための方法であって、
放射のビームを提供する段階と、
前記ビームからの偏光放射が前記試料に供給されるように、前記ビームを第1の固定または回転偏光要素に通す段階と、
前記試料による変更後に、変調されたビームを提供する第2の回転偏光要素を用いて、前記ビームからの放射を変調する段階と、
前記変調されたビームからの放射を検出する段階と、
固定直線偏光子を用いて、前記変調されたビームからの放射を検出する前に、前記変調されたビームを偏光する段階と、
前記検出された放射から、前記試料の1つ以上のエリプソメトリックパラメータを導出する段階と、
を含む方法。
A method for measuring a sample comprising:
Providing a beam of radiation; and
Passing the beam through a first fixed or rotating polarizing element such that polarized radiation from the beam is delivered to the sample;
After modification by the sample, the steps of using a second circular polarization element that provides a modulated beam, modulating the radiation from the beam,
Detecting radiation from the modulated beam;
Using a fixed linear polarizer to polarize the modulated beam prior to detecting radiation from the modulated beam;
Deriving one or more ellipsometric parameters of the sample from the detected radiation;
Including methods.
請求項1記載の方法において、The method of claim 1, wherein
前記第1および第2の要素を異なる速度で回転させる段階をさらに含み、前記検出する段階が前記ビームからの放射を検出している間、2つの要素の一方が13回以上完全に回転される方法。The method further includes rotating the first and second elements at different speeds, and one of the two elements is fully rotated 13 or more times while the detecting step detects radiation from the beam. Method.
請求項1記載の方法において、The method of claim 1, wherein
前記検出する段階が前記ビームからの放射を検出している間、2つの整数の比を実質的に形成する2つの速度で2つの要素が回転され、2つの整数の各々は他方で割り切れない方法。A method in which two elements are rotated at two speeds substantially forming a ratio of two integers while each detecting step detects radiation from the beam, and each of the two integers is not divisible by the other .
請求項1記載の方法において、The method of claim 1, wherein
2つの要素は、連続的または断続的に回転される方法。A method in which the two elements are rotated continuously or intermittently.
請求項4記載の方法において、The method of claim 4, wherein
前記検出する段階は、前記要素が連続的に回転される間、前記要素が実質的に静止する時、または前記要素が断続的に回転される時に前記放射を検出する方法。The detecting step detects the radiation when the element is substantially stationary while the element is continuously rotated, or when the element is intermittently rotated.
請求項1記載の方法において、The method of claim 1, wherein
前記提供する段階は、非偏光放射を固定直線偏光子に通すことを含む方法。Said providing comprises passing unpolarized radiation through a fixed linear polarizer.
請求項1記載の方法において、The method of claim 1, wherein
前記提供する段階は、広帯域放射のビームを提供する方法。The providing step provides a beam of broadband radiation.
請求項1記載の方法において、The method of claim 1, wherein
前記ビーム中の放射は、約190〜830nmの範囲に及ぶ波長を有する方法。The method wherein the radiation in the beam has a wavelength ranging from about 190 to 830 nm.
請求項1記載の方法において、The method of claim 1, wherein
前記導出する段階は、2つの要素、または前記提供する段階、前記検出する段階もしくは前記変調する段階で用いられるシステムの1つ以上のパラメータを導出することを含む方法。The deriving step comprises deriving two elements or one or more parameters of a system used in the providing step, the detecting step or the modulating step.
請求項9記載の方法において、The method of claim 9, wherein
前記導出する段階は、前記システムまたは2つの要素のパラメータの較正なしで前記エリプソメトリックパラメータが正確に導出されるような前記システムのパラメータを導出する方法。The deriving step derives the parameters of the system such that the ellipsometric parameters are accurately derived without calibration of the parameters of the system or two elements.
請求項1記載の方法において、The method of claim 1, wherein
前記導出する段階は、前記システムの総合倍率と、偏光子の偏光軸の方位または減衰補償と、前記ビーム中のいかなる放射の偏光とを含む1つ以上のパラメータを導出する方法。The deriving step derives one or more parameters including the overall magnification of the system, the orientation or attenuation compensation of the polarization axis of the polarizer, and the polarization of any radiation in the beam.
試料を測定するための器具であって、
放射のビームを提供する源と、
前記ビームからの偏光放射が前記試料に供給されるように、前記ビームを通す第1の固定または回転偏光要素と、
前記試料による変更後に、前記ビームからの放射を変調して、変調されたビームを提供する第2の回転偏光要素と、
前記変調されたビームを偏光して、偏光され変調されたビームを提供する固定直線偏光子と、
前記偏光され変調されたビームからの放射を検出する検出器と、
前記検出された放射から、前記試料の1つ以上のエリプソメトリックパラメータを導出する手段と、
備える器具。
An instrument for measuring a sample,
A source providing a beam of radiation;
A first fixed or rotating polarizing element that passes the beam such that polarized radiation from the beam is delivered to the sample;
A second rotating polarization element that modulates radiation from the beam to provide a modulated beam after modification by the sample;
A fixed linear polarizer that polarizes the modulated beam to provide a polarized and modulated beam;
A detector for detecting radiation from the polarized and modulated beam;
Means for deriving one or more ellipsometric parameters of the sample from the detected radiation;
Instrument comprising a.
請求項12記載の器具において、The instrument of claim 12,
前記検出器が前記ビームからの放射を検出している間、2つの要素の一方が13回以上完全に回転される器具。An instrument in which one of the two elements is fully rotated more than 13 times while the detector detects radiation from the beam.
請求項12記載の器具において、The instrument of claim 12,
前記検出器が前記ビームからの放射を検出している間、2つの整数の比を実質的に形成する2つの速度で2つの要素が回転され、2つの整数の各々は他方で割り切れない器具。An instrument in which two elements are rotated at two speeds substantially forming a ratio of two integers while each of the two integers is not divisible by the other while the detector detects radiation from the beam.
請求項12記載の器具において、The instrument of claim 12,
2つの要素は、連続的または断続的に回転される器具。An instrument in which the two elements are rotated continuously or intermittently.
請求項15記載の器具において、The instrument of claim 15, wherein
前記検出器は、前記要素が連続的に回転される間、前記要素が実質的に静止する時、または前記要素が断続的に回転される時に前記放射を検出する器具。The detector is an instrument that detects the radiation when the element is substantially stationary while the element is continuously rotated, or when the element is intermittently rotated.
請求項12記載の器具において、The instrument of claim 12,
前記源は、非偏光放射を供給するデバイスと非偏光放射を通す固定直線偏光子とを含む器具。The source includes an apparatus that provides unpolarized radiation and a fixed linear polarizer that transmits the unpolarized radiation.
請求項17記載の器具において、The instrument of claim 17,
前記デバイスは、広帯域放射のビームを提供する器具。The device is an instrument that provides a beam of broadband radiation.
請求項12記載の器具において、The instrument of claim 12,
前記ビーム中の放射は、約190〜830nmの範囲に及ぶ波長を有する器具。The instrument wherein the radiation in the beam has a wavelength ranging from about 190 to 830 nm.
請求項12記載の器具において、The instrument of claim 12,
前記導出する手段は、2つの要素の1つ以上のパラメータまたは前記器具のその他の要素を導出することを含む器具。The means for deriving comprises deriving one or more parameters of two elements or other elements of the instrument.
請求項20記載の器具において、The instrument of claim 20,
前記導出する手段は、前記システムまたは2つの要素のパラメータの較正なしで前記エリプソメトリックパラメータが正確に導出されるような前記器具のパラメータを導出する器具。The means for deriving the instrument derives parameters of the instrument such that the ellipsometric parameters are accurately derived without calibration of the parameters of the system or two elements.
請求項12記載の器具において、The instrument of claim 12,
前記導出する手段は、前記器具の総合倍率と、偏光子の偏光軸の方位または減衰補償と、前記ビーム中のいかなる放射の偏光とを含む1つ以上のパラメータを導出する器具。The means for deriving one or more parameters including the overall magnification of the instrument, the orientation or attenuation compensation of the polarization axis of the polarizer, and the polarization of any radiation in the beam.
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