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エリプソメトリー装置 コモンズ 新技術説明会

国内特許コード P100000542
整理番号 NU-0307
掲載日 2010年2月5日
出願番号 特願2009-257187
公開番号 特開2011-102731
登録番号 特許第5648780号
出願日 平成21年11月10日(2009.11.10)
公開日 平成23年5月26日(2011.5.26)
登録日 平成26年11月21日(2014.11.21)
発明者
  • 福澤 健二
  • 梶原 陽介
出願人
  • 国立大学法人名古屋大学
発明の名称 エリプソメトリー装置 コモンズ 新技術説明会
発明の概要 【課題】物体の微小構造を高コントラストかつ高倍率で観察できるうえ、物体面に対して法線方向観察側の位置に、物体面に接触又は近接して用いられる計測手段や操作手段などのための作業空間を確保できるエリプソメトリー装置を提供すること。
【解決手段】エリプソメトリー顕微鏡は、光源と偏光子と位相補償子とを備えると共に試料面SPに対して照明光L4を斜めに照射する斜め照明系と、結像系と、検光子23と、結像系による像を検出面25で検出する撮像素子24とを備える。結像系は、対物レンズ21を含む1次結像系10と、結像レンズ22を含む2次結像系11との複数段で構成されている。対物レンズ21の倍率M1(例えば1倍)を、結像レンズ22の倍率M2(例えば100倍)に比べ相対的に小さく設定することにより、対物レンズ21の光軸AX1と、1次結像系10の結像面P1とのなす角度θ1が相対的に大きく設定されている。
【選択図】図2
従来技術、競合技術の概要


次世代ハードディスク装置では、ヘッドがディスクと接触しながら走行する潤滑方式への移行が予想されており、この場合ディスクの表面に厚さ1nm程度の均一な潤滑膜が塗布されることが要求される。また、ナノインプリントリソグラフィーでは、nmオーダーの液体薄膜を用いて微細パターンを転写するための均一な薄膜が必要となる。ポリマーエレクトロニクスでも、パターニングして微細な素子を形成する均一な液体分子薄膜が必要となる。いずれの場合も、正確かつ効率的に、極薄の膜厚の分布が定量的に測定されなければならない。



従来、液体あるいは固体薄膜の分布観測には、図6に示すような走査型エリプソメータ(エリプソメトリー装置)が広く用いられてきた(例えば特許文献1)。このようなエリプソメータ101は、光源102から照射された光コリメーションレンズ103で平行光とされ、偏光子104で直線偏光とされ、λ/4板105で円偏光又は楕円偏光に変換され、試料走査用ステージ106上に載置された基板107上の薄膜108(液体膜又は固体膜)に照明光109を照射する。試料の薄膜108は、試料走査用ステージ106により順次走査されていく。この照明光109は薄膜108で反射し、その反射光110は、対物レンズ111を通過して検光子112を通って結像レンズ113により光検出装置114に入射して測定される。



エリプソメトリー装置では、試料と空気などの媒質界面で、光がある入射角で反射したときに、入射平面に平行な偏光成分(p偏光)、垂直な偏光成分(s偏光)についての複素振幅反射率が、試料薄膜の屈折率を決める膜厚に依存するので、薄膜の膜厚分布に対応した光反射強度像が得られ、試料各点における膜厚分布を観測できる。



ところで、エリプソメトリー装置は、試料(屈折率ns)と空気(屈折率no)の界面で光が反射した場合、光の入射角をθB=tan-1(ns/no)で求められるブリュースター角θB付近に設定して使用される。この設定では、p偏光に対する反射率は最小値を取るので、p偏光とs偏光の複素振幅反射率の差が最も大きくなり、最も良好なコントラストを有する膜分布像が得られる。このブリュースター角θBは、一般に液体や固体では60~70度付近にあるので、エリプソメトリー顕微鏡では、p偏光に対する反射率が最小となるように法線から60~70度程度の比較的大きな入射角で試料に照明光を斜めに照射し、その入射角と同程度の反射角で反射する反射光を斜め方向から観測する必要があった。このため、エリプソメトリー装置においては、図6に示すような斜め照明系を採用し、結像系の対物レンズ111の光軸を、薄膜の試料面に対して斜めに配置する必要があった。



このように試料を斜めから観測する構成であると、焦点深度の関係から狭い視野しか得られないという問題があった。このように、対物レンズ111の光軸を試料面に対して斜めに配置する観測系では、実用的に有用な視野が確保できず、好適な高倍率観測が困難であった。



加えて、一般に高倍率の対物レンズは作動距離が小さい。このため、対物レンズ111の光軸を試料面に対して斜めに配置する観測系では、対物レンズと試料基板の接触を避けるために、試料をレンズから遠ざけて低倍率で観察するか、p偏光に対する反射率が最小となる条件から外れた入射角で光を照射し、低コントラストで観察するかしなければならなかった。



この種の問題を解消するため、特許文献1には、図7に示すエリプソメトリー顕微鏡(エリプソメトリー装置)が提案されていた。図7に示すエリプソメトリー顕微鏡121は、斜め照明系は、光源122、光ファイバ123、コリメートレンズ124、偏光子125、位相補償子126、集光レンズ127、ビームスプリッタ128等から構成されていた。また、結像系は、対物レンズ129、結像レンズ130、検光子131、撮像装置132の検出面133で構成されていた。そして、斜め照明系と結像系とが同じ対物レンズ129を共用し、対物レンズ129の光軸を試料Sの試料面134に対して垂直に配置していた。



光源122から光ファイバ123を通じて発光した拡散光はコリメートレンズ124により平行光とされ、偏光子125により直線偏光とされ、さらにλ/4板からなる位相補償子126により楕円偏光(円偏光を含む)とされる。



集光レンズ127で集光された楕円偏光よりなる照明光は、ビームスプリッタ128で屈曲し、対物レンズ129の光軸からシフトした位置を通って平行光として試料Sを照射する。試料Sで正反射した反射光R1は、対物レンズ129にその光軸に対して入射時と異なる側へシフトした位置を通り、ビームスプリッタ128を透過し、結像レンズ130及び検光子131を通過した後、撮像装置132の検出面133に照射される。そして、撮像装置132により撮像された試料の像がモニタ135に映し出される。



このように対物レンズ129の光軸が試料Sの試料面134に垂直に配置されるので、視野の狭小化の問題は解消される。しかも、試料面に対する光の入射角をブリュースター角θB付近に設定できるので、微小な膜厚差を有する膜分布を高感度かつ高コントラスト(高分解能)で観察できる。

産業上の利用分野


本発明は、薄膜等の物体の膜厚分布を観察可能な偏光解析法(エリプソメトリー)を用いたエリプソメータやエリプソメトリー顕微鏡等のエリプソメトリー装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
偏光解析法を用いて観察対象の物体の像を拡大して観察可能なエリプソメトリー装置であって、
光源の光路上に偏光子と位相補償子とを有し、当該偏光子及び位相補償子を通った平行光を前記物体に斜めに照射する斜め照明系と、
物体からの反射光を入射して物体像を拡大して結像させる結像系と、
前記結像系における前記反射光の光路の途中に設けられた検光子と、
前記結像系により結像された像を撮像する撮像素子と、を備え、
前記結像系は、
前記物体からの反射光を入射して第1の倍率で物体像を結像させる少なくとも1組のレンズを含む1次結像系と、
前記1次結像系が結像した物体像を前記第1の倍率より大きな第2の倍率で拡大する少なくとも1組のレンズを含む2次結像系と、
を備え、
前記1次結像系の少なくとも1組のレンズ及び前記2次結像系の少なくとも1組のレンズを、組毎にそれぞれの光軸を一致させ、かつ焦点面を一致させた構成のアフォーカル系とし、
前記2次結像系の光軸を、前記1次結像系の結像面と略垂直になるように配置するとともに、前記2次結像系の結像面が前記撮像素子の検出面と略重なるように前記撮像素子を配置し、
前記1次結像系の倍率M1は、0.3~3倍の範囲内の値に設定されていることを特徴とするエリプソメトリー装置。

【請求項2】
請求項1に記載のエリプソメトリー装置において、
前記1次結像系の光軸と物体面とのなす角度θo、前記光軸と前記1次結像系の結像面
とのなす角度θ1とした場合、
前記1次結像系の倍率M1は、M1=tanθo/tanθ1において、角度θ1を20度以上
としうる値に設定されていることを特徴とするエリプソメトリー装置。

【請求項3】
請求項1又は2に記載のエリプソメトリー装置において、
前記1次結像系の光軸と物体面とのなす角度θoと、前記光軸と前記1次結像系の結像
面とのなす角度θ1は、θo≧θ1を満たし、M1=tanθo/tanθ1により決まる前記1次
結像系の倍率M1は1倍以上に設定されていることを特徴とするエリプソメトリー装置。

【請求項4】
請求項1乃至のいずれか一項に記載のエリプソメトリー装置において、
物体のp偏光に対する反射率が略最小となるような入射角で前記物体に照明光を照射して観察又は膜厚分布測定が行われる構成であり、
前記1次結像系の光軸は、物体面からの反射光の光軸が想定される最小反射角をとるときの当該光軸に対して前記物体面から離れる方向へひねり角度Δθだけ傾けて配置されていることを特徴とするエリプソメトリー装置。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2009257187thum.jpg
出願権利状態 登録
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