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ELLIPSOMETRY DEVICE AND ELLIPSOMETRY METHOD meetings

Foreign code F180009379
File No. (S2016-1083-N0)
Posted date Apr 19, 2018
Country WIPO
International application number 2017JP029829
International publication number WO 2018038064
Date of international filing Aug 21, 2017
Date of international publication Mar 1, 2018
Priority data
  • P2016-163989 (Aug 24, 2016) JP
Title ELLIPSOMETRY DEVICE AND ELLIPSOMETRY METHOD meetings
Abstract The present invention provides an ellipsometry device and method whereby measurement efficiency can be enhanced. In this method, an object is illuminated by spherical-wave illumination light Q linearly polarized at 45° (S1), and object light O as reflected light is acquired in a hologram IOR using a spherical-wave reference light R having a focal point near the focal point of the illumination light Q, and a hologram ILR of the reference light R is furthermore acquired using spherical-wave reference light L having the same focal point as the illumination light Q (S2). The holograms are separated into p- and s-polarized light holograms IκOR, IκLR (κ = p, s) and processes, object light waves are extracted, and an object light spatial frequency spectrum Gκ(u, v) (κ = p, s) is generated (S3) (S4). An ellipsometry angle Ψ(θ), Δ(θ) is obtained for each incidence angle θ from the amplitude reflection coefficient ratio ρ = Gp/Gs = tanΨ∙exp(iΔ). Through use of numerous lights having different incidence angles θ included by the illumination light Q, data of numerous reflection lights can be acquired at once in a hologram and processed.
Outline of related art and contending technology BACKGROUND ART
Conventionally, the optical properties of the material, the dielectric characteristics were examined as a technique more general ellipsometry (ellipsometric technique) has been known. Ellipsometry is, when the incident light is reflected from the material measuring a change in the polarization state of light. From a change in the polarization state of light, the dielectric characteristics of the material can be found. Changes the state of polarization, p-polarized light and s-polarized light of the reflection coefficient amplitude rp, rs is measured as a ratio. Amplitude reflection coefficient rp, rs is a complex number a, the reflection amplitude ratio and the coefficient ratio ρ=rp /rs complex and also, one of the ellipsometry angle Ψ 2, Δ ρ=tan (Ψ) exp (i Δ) and by being represented,. Ψ angle ellipsometry obtained as a measurement result, Δ is, the optical characteristics of individual substances depends on the thickness of the reflective film and the like. Ellipsometry and ellipsometry method is used ellipsometry device, handling a thin film of a film thickness of the wavelength of light such as in the semiconductor field, and the characteristics of the thin film is used for measuring the film thickness.
For the thin film measuring ellipsometry device, referred to as an ellipsometer. Is an ellipsometer, the light reflected from the thin film measuring the change of the polarization state in the optical constant of the thin film, film thickness, etc. used to determine the layer structure. Is a conventional ellipsometer, a mechanical polarizer is rotated-type device, using the elasticity of the polarization-modulated light of the largely divided into a device. To the rotation of the polarizer, the analyzer (polarizer) is the rotation of the rotation of the compensator. The setting of the polarization state of incident light, the polarization state by the detection of the reflected light, the reflected light from the incident light to the polarization state of light upon a change of the measured change.
Is measured, under different conditions, or, under the optimal conditions for measuring, mechanically rotating the polarizer, the photoelastic modulator for modulating light transmission of light with or, to measure changes in strength of the reflected light can be performed. For detecting the setting of the polarization state of the mechanical rotation of the polarizer and the operation of the phase modulation of light, longer measurement time. Therefore, the rotation of the polarizer is eliminated to speed up the drive unit has been proposed is an ellipsometer (for example, see Patent Document 1).
In addition to the amplitude reflection coefficient ρ ratio, by using information of the wavelength to increase the accuracy of the thin film. In this case, the film thickness of the single layer film or multilayer film as well as measurement of the optical constants can be structural analysis. The wavelength information is used in an ellipsometer, a spectroscopic ellipsometer is. Is a spectroscopic ellipsometer, spectral analysis techniques (ellipsometry) polarization (spectroscopy) analysis techniques to be used in combination. Is measured, the rotating polarizer and the rotation compensator such as a photoelastic modulator or in addition to the polarization of the light equipment, high-performance spectroscope is required, increases the cost of the device.
In addition, to techniques for analyzing light such as reflected light, light intensity and phase of the light waves are referred to as a combination of the data of the hologram recorded in a recording medium such as a photographic plate and the holography analysis. Is holographic in recent years, semiconductor memory or the like and the imaging device, the light intensity and phase of the wave and is recorded as digital data, or computer generated hologram, the analysis is being performed. In this way is the holography, referred to as digital holography.
In the digital holography, the hologram recording and high speed processing and high accuracy in order to achieve a variety of techniques have been proposed. For example, the complex amplitude in-line hologram is recorded at high speed and accurately analyze, a hologram recorded by the spatial frequency filtering is applied to the spatial heterodyne modulation one-shot digital holography has been proposed (for example, see Patent Document 2). The conventional optical microscope in order to solve the problem, the imaging lens without the use of a large numerical aperture of the object light of the one-shot method of recording, recording is carried out of the plane wave development object 3 to a high-resolution three-dimensional image accurately playing computer, and a distortion-free high-resolution 3 - dimensional moving images can be reproduced with a three-dimensional microscope 3 utilizes a lens has been proposed (for example, see Patent Document 3).
In addition, the internal structure of the biological tissue and cells in culture in order to measure a high resolution, and a wavelength swept laser light reflection type microscope lens-less holographic high-resolution tomographic imaging method is used has been proposed (for example, see Patent Document 4). Further, different incident angle of the recording light is irradiated a plurality of large numerical aperture more than 1 numerical aperture of the light from the object a method for synthesizing the object light, and ultra-high resolution having a resolution that exceeds the diffraction limit of the three-dimensional microscope 3 has been proposed (for example, see Patent Document 5).
Also, in conjunction with digital holography, and a beam resulting from transmission of a measurement sample, and interference between the transmission of the beam is received by the CCD, this interference can be measured by Fourier transform of the image to determine the optical constants of the sample, the method according to the dispersion Fourier transform spectrometry (DFTS) is known (for example, see Non-Patent Document 1). Similarly, and the beam transmitted through the measurement sample, the beam does not transmit an interference image of the Fourier transform is calculated and the optical path length calculated in the thickness, the thickness of the thin film interferometry has been known a method of measuring (for example, see Non-Patent Document 2). Further, a hologram is used to generate the parallel light is irradiated on a sample for measurement, a measurement sample is divided into light that has passed through, and then change the phase of the interference, and to measure changes in strength of the interference fringes to calculate a film thickness, interference contrast method has been known a method of measuring the film thickness (for example, see Patent Document 6).
Scope of claims (In Japanese)[請求項1]
物体から放射される光の偏光解析に用いるエリプソメトリ装置であって、
p偏光とs偏光とを含み偏光状態が既知の非平行の光である照明光(Q)によって照明された物体から放射される物体光(O)のデータを、オフアクシス参照光(R)を用いて、p偏光のホログラムとs偏光のホログラムとに分離可能に、物体光ホログラム(IOR)として取得し、前記オフアクシス参照光(R)のデータを、インライン球面波参照光(L)を用いて、p偏光のホログラムとs偏光のホログラムとに分離可能に、参照光ホログラム(ILR)として取得するデータ取得部と、
前記物体光(O)の偏光解析を行うデータ解析部と、を備え、
前記データ解析部は、
前記データ取得部によって取得された前記物体光ホログラム(IOR)と前記参照光ホログラム(ILR)のデータを用いて前記物体光(O)のp偏光の光波とs偏光の光波のそれぞれを表す光波ホログラム(gκ(x,y),κ=p,s)をホログラム面においてそれぞれ生成する光波再生部と、
前記p偏光とs偏光の光波ホログラム(gκ(x,y),κ=p,s)の各々を平面波展開してp偏光とs偏光の物体光空間周波数スペクトル(Gκ(u,v),κ=p,s)をそれぞれ生成する物体光平面波展開部と、
前記照明光(Q)の既知の情報を用いて、前記ホログラム面において、前記照明光(Q)のp偏光の照明光空間周波数スペクトル(Sp(u,v))に対するs偏光の照明光空間周波数スペクトル(Ss(u,v))の比である照明光偏光係数(ξQ=Ss(u,v)/Sp(u,v))を生成する偏光係数生成部と、
前記p偏光とs偏光の物体光空間周波数スペクトル(Gκ(u,v),κ=p,s)と前記照明光偏光係数(ξQ)とを用いて、空間周波数(u,v)毎にs偏光の振幅反射係数(rs=Gs(u,v)/Ss(u,v))に対するp偏光の振幅反射係数(rp=Gp(u,v)/Sp(u,v))の比である振幅反射係数比(ρ=rp/rs=ξQGp(u,v)/Gs(u,v))を算出する演算部と、を備える、ことを特徴とするエリプソメトリ装置。
[請求項2]
前記データ取得部は、
レーザが放射するコヒーレント光から球面波状の前記照明光(Q)と、球面波状の前記オフアクシス参照光(R)と、前記インライン球面波参照光(L)と、を生成して伝搬させる光学系と、
光強度を電気信号に変換して出力する受光素子と、
前記物体光(O)と前記オフアクシス参照光(R)との干渉縞のオフアクシスホログラムである前記物体光ホログラム(IOR)、および前記インライン球面波参照光(L)と前記オフアクシス参照光(R)との干渉縞のオフアクシスホログラムである前記参照光ホログラム(ILR)を、前記受光素子を用いて取得して保存する保存部と、
前記物体光ホログラム(IOR)と前記参照光ホログラム(ILR)の各々が、p偏光のホログラムとs偏光のホログラムとに分離可能なホログラムとして取得されて前記保存部に保存されるように、前記レーザから前記受光素子に至る光路上に、前記光路を伝搬する光の偏光状態を設定する偏光設定器と、を備え、
前記データ解析部は、
前記物体光ホログラム(IOR)から偏光毎に分離してなるp偏光とs偏光の物体光ホログラム(IκOR,κ=p,s)をそれぞれ生成し、前記参照光ホログラム(ILR)から偏光毎に分離してなるp偏光とs偏光の参照光ホログラム(IκLR,κ=p,s))をそれぞれ生成する偏光分離部と、
前記p偏光とs偏光の物体光ホログラム(IκOR,κ=p,s)と前記p偏光とs偏光の参照光ホログラム(IκLR,κ=p,s)とから、前記オフアクシス参照光(R)の成分を除去したp偏光とs偏光の物体光複素振幅インラインホログラム(JκOL,κ=p,s)を生成するインライン化部と、を備え、
前記光波再生部は、前記偏光分離部と前記インライン化部とによって生成された前記p偏光とs偏光の物体光複素振幅インラインホログラム(JκOL,κ=p,s)から前記インライン球面波参照光(L)の成分をその球面波光としての特性を用いることによって除去して、前記光波ホログラム(gκ(x,y),κ=p,s)を生成する、ことを特徴とする請求項1に記載のエリプソメトリ装置。
[請求項3]
前記偏光設定器は、前記オフアクシス参照光(R)を互いにオフアクシスとなるp偏光のオフアクシス参照光(Rp)と、s偏光のオフアクシス参照光(Rs)とに分割する参照光分割部を備え、
前記データ取得部は、前記参照光分割部によって分割された前記p偏光とs偏光のオフアクシス参照光(Rκ,κ=p,s)を互いに重ねて用いて、前記物体光ホログラム(IOR)と前記参照光ホログラム(ILR)とを、それぞれp偏光のホログラムとs偏光のホログラムとに分離可能なホログラムとして取得する、ことを特徴とする請求項2に記載のエリプソメトリ装置。
[請求項4]
前記参照光分割部は、ウォラストンプリズムを用いて前記オフアクシス参照光(R)をp偏光とs偏光とに分割することを特徴とする請求項3に記載のエリプソメトリ装置。
[請求項5]
前記受光素子は、CCDであり、
前記偏光設定器は、前記受光素子が受光する光の偏光状態を前記CCDの画素毎に設定する偏光子アレイを備えていることを特徴とする請求項2に記載のエリプソメトリ装置。
[請求項6]
物体から放射される光の偏光解析に用いるエリプソメトリ方法であって、
p偏光とs偏光とを含み偏光状態が既知の非平行の光である照明光(Q)によって照明された物体から放射される物体光(O)のデータをオフアクシス参照光(R)を用いて、p偏光のホログラムとs偏光のホログラムとに分離可能に、物体光ホログラム(IOR)として取得し、前記オフアクシス参照光(R)のデータをインライン球面波参照光(L)を用いて、p偏光のホログラムとs偏光のホログラムとに分離可能に、参照光ホログラム(ILR)として取得し、
前記物体光ホログラム(IOR)と前記参照光ホログラム(ILR)のデータを用いて前記物体光(O)のp偏光の光波とs偏光の光波のそれぞれを表す光波ホログラム(gκ(x,y),κ=p,s)をホログラム面においてそれぞれ生成し、
前記p偏光とs偏光の光波ホログラム(gκ(x,y),κ=p,s)の各々を平面波展開してp偏光とs偏光の物体光空間周波数スペクトル(Gκ(u,v),κ=p,s)をそれぞれ生成し、
前記照明光(Q)の既知の情報を用いて、前記ホログラム面において、前記照明光(Q)のp偏光の照明光空間周波数スペクトル(Sp(u,v))に対するs偏光の照明光空間周波数スペクトル(Ss(u,v))の比である照明光偏光係数(ξQ=Ss(u,v)/Sp(u,v))を生成し、
前記p偏光とs偏光の物体光空間周波数スペクトル(Gκ(u,v),κ=p,s)と前記照明光偏光係数(ξQ)とを用いて、空間周波数(u,v)毎にs偏光の振幅反射係数(rs=Gs(u,v)/Ss(u,v))に対するp偏光の振幅反射係数(rp=Gp(u,v)/Sp(u,v))の比である振幅反射係数比(ρ=rp/rs=ξQGp(u,v)/Gs(u,v))を算出することを特徴とするエリプソメトリ方法。
[請求項7]
レーザが放射するコヒーレント光から球面波状の前記照明光(Q)と、球面波状の前記オフアクシス参照光(R)と、前記インライン球面波参照光(L)と、を生成して伝搬させ、
前記物体光(O)と前記オフアクシス参照光(R)との干渉縞のオフアクシスホログラムである前記物体光ホログラム(IOR)、および前記インライン球面波参照光(L)と前記オフアクシス参照光(R)との干渉縞のオフアクシスホログラムである前記参照光ホログラム(ILR)を、取得して保存し、
前記物体光ホログラム(IOR)と前記参照光ホログラム(ILR)の各々から、偏光毎に分離してなるp偏光とs偏光の物体光ホログラム(IκOR,κ=p,s)およびp偏光とs偏光の参照光ホログラム(IκLR,κ=p,s)とを生成し、
前記p偏光とs偏光の物体光ホログラム(IκOR,κ=p,s)と前記p偏光とs偏光の参照光ホログラム(IκLR,κ=p,s)とから、前記オフアクシス参照光(R)の成分を除去したp偏光とs偏光の物体光複素振幅インラインホログラム(JκOL,κ=p,s)を生成し、
前記p偏光とs偏光の物体光複素振幅インラインホログラム(JκOL,κ=p,s)から前記インライン球面波参照光(L)の成分をその球面波光としての特性を用いることによって除去して、前記光波ホログラム(gκ(x,y),κ=p,s)を生成する、ことを特徴とする請求項6に記載のエリプソメトリ方法。
[請求項8]
前記物体光ホログラム(IOR)と前記参照光ホログラム(ILR)の取得は、前記球面波状のオフアクシス参照光(R)を、互いにオフアクシスと成るp偏光のオフアクシス参照光(Rp)とs偏光のオフアクシス参照光(Rs)とに分割し、前記分割された前記p偏光とs偏光のオフアクシス参照光(Rκ,κ=p,s)を互いに重ねて用いて行われ、
前記物体光ホログラム(IOR)と前記参照光ホログラム(ILR)のそれぞれの前記p偏光のホログラムとs偏光のホログラムへの分離は、前記p偏光とs偏光のオフアクシス参照光(Rκ,κ=p,s)が互いにオフアクシスであることに基づくフィルタリングによって行われる、ことを特徴とする請求項7に記載のエリプソメトリ方法。
[請求項9]
前記物体光ホログラム(IOR)と前記参照光ホログラム(ILR)の取得は、受光素子であるCCDを用いて行われ、前記受光素子はp偏光用の偏光子とs偏光用の偏光子とを前記CCDの画素毎に交互に配置して備えており、
前記物体光ホログラム(IOR)と前記参照光ホログラム(ILR)のそれぞれの前記p偏光のホログラムとs偏光のホログラムへの分離は、前記CCDの画素毎のデータをp偏光のデータとs偏光のデータに分離して行われる、ことを特徴とする請求項7に記載のエリプソメトリ方法。
[請求項10]
異なる波長の複数のコヒーレント光を重ねて用いて前記物体光ホログラム(IOR)と前記参照光ホログラム(ILR)とを取得し、
前記異なる波長毎に前記振幅反射係数比(ρ=rp/rs)を算出する、ことを特徴とする請求項6乃至請求項9のいずれか一項に記載のエリプソメトリ方法。
[請求項11]
前記p偏光とs偏光の物体光空間周波数スペクトル(Gκ(u,v),κ=p,s)と、前記p偏光とs偏光の照明光空間周波数スペクトル(Sκ(u,v),κ=p,s)とを、座標回転変換によってそれぞれ前記物体の表面に平行な面における表現に変換して前記振幅反射係数比(ρ=rp/rs)を算出する、ことを特徴とする請求項6乃至請求項10のいずれか一項に記載のエリプソメトリ方法。
[請求項12]
前記照明光(Q)として球面波光を用いて前記物体光ホログラム(IOR)を取得し、
偏光に対する反射特性が既知である反射鏡を用いて前記球面波光とした照明光(Q)をホログラム面に向けて反射させることにより、前記照明光(Q)を前記インライン球面波参照光(L)として用いて、前記参照光ホログラム(ILR)を取得する、ことを特徴とする請求項7乃至請求項12のいずれか一項に記載のエリプソメトリ方法。
[請求項13]
前記物体光ホログラム(IOR)の取得は、前記物体の表面における前記照明光(Q)による照射スポットのサイズを顕微観察のためのサイズに設定して行い、
前記p偏光とs偏光の物体光空間周波数スペクトル(Gκ(u,v),κ=p,s)を生成する処理は、
前記p偏光とs偏光の光波ホログラム(gκ(x,y),κ=p,s)の各々について、空間サンプリング間隔を細分化し、細分化によって生じた新たなサンプリング点に対してデータ補間して、実質的にサンプリング点数を増大させ、
前記サンプリング点数を増大させたp偏光とs偏光の光波ホログラムを、それぞれ複数枚の微小ホログラム(gκi(x,y),κ=p,s)に分割し、
前記分割によって生じた前記微小ホログラム(gκi(x,y),κ=p,s)をp偏光とs偏光のそれぞれについて互いに重ね合わせてp偏光とs偏光の合成微小ホログラム(Σκ(x,y),κ=p,s)を生成し、
前記p偏光とs偏光の合成微小ホログラム(Σκ(x,y),κ=p,s)の各々を平面波展開して前記p偏光とs偏光の物体光空間周波数スペクトル(Gκ(u,v),κ=p,s)をそれぞれ生成する、処理を備え、
平面波の分散関係を満たす空間周波数(u,v,w)と前記サンプリング点数の増大を経て生成された前記p偏光とs偏光の物体光空間周波数スペクトル(Gκ(u,v),κ=p,s)とを用いて、前記物体光(O)の光軸と前記物体の表面とが交わる位置における前記物体光(O)のp偏光とs偏光の再生光波(hκ(x,y),κ=p,s)を生成し、
前記p偏光とs偏光の再生光波(hκ(x,y),κ=p,s)を座標回転変換によってそれぞれ前記物体の表面に平行な面における表現に変換して成るp偏光とs偏光の回転再生光波(bκ(x’,y’),κ=p,s)を生成し、
前記照明光偏光係数(ξQ)と前記p偏光とs偏光の回転再生光波(bκ(x’,y’),κ=p,s)とを用いて、前記照射スポットの各点(x’,y’)における振幅反射係数比(ρ=ξQbp(x’,y’)/bs(x’,y’))、または、前記物体の表面における顕微観察のための画像(|bκ2,κ=p,s)を算出する、ことを特徴とする請求項6に記載のエリプソメトリ方法。
[請求項14]
前記物体の表面と前記ホログラム面との成す角度(α)を取得し、
前記照明光(Q)が前記物体のブリュースタ角(θB)を入射角として含む状態で前記物体を照明して前記物体光ホログラム(IOR)を取得し、
前記物体の表面と前記ホログラム面との成す前記角度(α)を用いて、前記p偏光とs偏光の物体光空間周波数スペクトル(Gκ(u,v),κ=p,s)と、前記p偏光とs偏光の照明光空間周波数スペクトル(Sκ(u,v),κ=p,s)とを、座標回転変換によってそれぞれ前記物体の表面に平行な面における表現に変換して前記振幅反射係数比(ρ)を算出し、
前記振幅反射係数比(ρ)から偏光解析用のエリプソメトリ角(Ψ,Δ)を前記照明光(Q)に含まれる複数の入射角(θ)について取得し、
前記入射角(θ)を変数とし前記照明光(Q)を反射する前記物体の屈折率(n)をパラメータとするモデル曲線によって前記エリプソメトリ角(Ψ,Δ)をフィッティングすることにより、前記屈折率(n)の値を得る、ことを特徴とする請求項6に記載のエリプソメトリ方法。
[請求項15]
前記物体光ホログラム(IOR)の取得は、前記照明光(Q)を球面波状とし、前記物体の表面における複数の測定点を包含する広い面を、前記照明光(Q)の集光点の手前または後方において照明して行い、
前記振幅反射係数比(ρ)の算出は、前記複数の測定点の各点について行う、ことを特徴とする請求項6に記載のエリプソメトリ方法。
[請求項16]
前記物体光ホログラム(IOR)の取得は、前記照明光(Q)を球面波状とし、前記物体の表面の位置に前記照明光(Q)の集光点を配置して行う、ことを特徴とする請求項6に記載のエリプソメトリ方法。
  • Applicant
  • ※All designated countries except for US in the data before July 2012
  • UNIVERSITY OF HYOGO
  • Inventor
  • SATO, Kunihiro
IPC(International Patent Classification)
Specified countries National States: AE AG AL AM AO AT AU AZ BA BB BG BH BN BR BW BY BZ CA CH CL CN CO CR CU CZ DE DJ DK DM DO DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM GT HN HR HU ID IL IN IR IS JO JP KE KG KH KN KP KR KW KZ LA LC LK LR LS LU LY MA MD ME MG MK MN MW MX MY MZ NA NG NI NO NZ OM PA PE PG PH PL PT QA RO RS RU RW SA SC SD SE SG SK SL SM ST SV SY TH TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN ZA ZM ZW
ARIPO: BW GH GM KE LR LS MW MZ NA RW SD SL SZ TZ UG ZM ZW
EAPO: AM AZ BY KG KZ RU TJ TM
EPO: AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR
OAPI: BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW KM ML MR NE SN ST TD TG

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