JP3898823B2

JP3898823B2 - 微粒子測定装置の光学系

Info

Publication number: JP3898823B2
Application number: JP36742297A
Authority: JP
Inventors: 勇蔵森; 伸一郎渡辺
Original assignee: Jasco Corp; Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Jasco Corp; Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1997-12-25
Filing date: 1997-12-25
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2017-12-25
Also published as: JPH11183132A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微粒子測定装置の光学系、特にその集光機構の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、パターン未形成シリコンウエハ上のナノメータオーダの粒子直径等を計測するため、各種の微粒子測定装置が用いられる。
このような微粒子測定装置では、一般に、ステージに保持されたシリコンウエハの測定面にレーザ光を照射し、その測定面からのレーリ散乱光の強度を測定し、そのレーリ散乱光強度を、直径既知の粒子からのレーリ散乱光の強度に照合し、その粒径を計測している。
【０００３】
ところで、レーリ散乱光は極微弱であるため、シリコンウエハ等の試料の測定面からのレーリ散乱光を効率的に集光することが重要である。
かかる技術として、例えば、図１に示すものが知られている。
同図に示す微粒子測定装置１０では、集光手段１２として楕円面鏡（図２（ａ）〜（ｃ）参照）を用いている。即ち、その他の集光手段に比較し、試料測定面からのレーリ散乱光を効率的に集光することができるからである。そして、図１に示すように、レーザ光Ｌ１の出射方向前方には、集光レンズ１４が設けられ、該集光レンズ１４により、スポットサイズが収束されたレーザ光源１６からのレーザ光Ｌ１は、アパーチャ１８に入る。ここで、集光レンズ１４からの散乱光Ｌ６は、アパーチャ１８の本体によりカットされる。
【０００４】
一方、図１に示すように、アパーチャ１８の入射孔２０（図３（ａ），（ｂ）参照）を通過したレーザ光Ｌ１は、集光手段１２に入る。この集光手段１２の入射孔２２を通過したレーザ光Ｌ１は、所定のスポットサイズで、測定部位２４ａである楕円面鏡の第一焦点１２ｂ近傍のシリコンウエハ２４上に照射される。
測定部位２４ａである楕円面鏡の第一焦点１２ｂ近傍のシリコンウエハ２４上からのレーリ散乱光Ｌ２は、その鏡面１２ａの第二焦点に集光される。この第二焦点の近傍には、放物面鏡等の導光手段２６が配置され、その鏡面１２ａにて集光されたシリコンウエハ２４の測定部位２４ａからのレーリ散乱光Ｌ２は、該導光手段２６により、光電子増倍管等の検出器２８に入る。
【０００５】
そして、例えば、その検出器２８で得たレーリ散乱光強度情報を、例えば、制御手段３０により、直径既知の粒子からのレーリ散乱光の強度情報に照合することにより、その粒径を計測することができる。
なお、前記微粒子測定装置１０においては、制御手段３０を所定の手順で動作させ、ステッピングモータ３２の動作を制御することにより、ステージ３４は、シリコンウエハ２４表面に対して、平行方向に移動する。これにより、シリコンウエハ２４上に照射されるレーザ光Ｌ１の位置を移動し、シリコンウエハ２４の表面全体を走査していた。
【０００６】
また、前記図２（ｂ），（ｃ）に示すように、集光手段１２には、その第一焦点１２ｂを中心としたほぼ等角位置に、その入射孔２２と出射部３６が、それぞれ配置されており、シリコンウエハ２４からの反射光Ｌ３は、該出射部３６より、集光手段１２の外方へ出ていく。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成の微粒子測定装置１０では、集光手段１２として楕円面鏡を用いることにより、高集光率を得ることができるものの、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の点で、まだまだ改善の余地が残されていた。即ち、集光率の向上を図ることはできたものの、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）は、楕円面鏡でない集光手段を用いたものと同じだからである。
【０００８】
そこで、従来より、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の向上をも図ることができる技術の開発が、強く望まれていたものの、これを解決するための適切な技術は存在せず、またその信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の向上を妨げる要因は、未だ特定されていなかった。
【０００９】
本発明は、前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の向上をも図ることができる微粒子測定装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前述のように、前記従来の構成の微粒子測定装置では、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の点で、まだまだ改善の余地が残されていたものの、その信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の向上を妨げる要因は、未だ特定されていなかった。
そこで、本発明者らが、鋭意検討を重ねた結果、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の向上を妨げる要因が、集光レンズ１４からの散乱光、集光手段１２の入射孔２２での散乱光Ｌ４（前記図２（ａ）参照）、アパーチャ１８の入射孔２０での散乱光Ｌ５（前記図２（ａ）、図３（ａ），（ｂ）参照）等のダーク光が、楕円面鏡等の集光手段１２により集光されることにあり、これらの影響を低減することにより、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の向上を図ることができることを見い出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
即ち、前記目的を達成するために、本発明に係る微粒子測定装置は、出射手段と、集光手段と、検出器と、を備えたことを特徴とする。
前記出射手段は、光束を出射し、該光束を試料の測定部位に照射するためのものである。
前記集光手段は、前記出射手段と試料の間の光路中に設けられた、切欠部、及び略楕円状の鏡面を含む。該切欠部は、該出射手段からの光束を、該試料測定部位まで通過する。該略楕円状の鏡面は、該切欠部を設けることにより、実質的に、該試料測定部位からの散乱光のみを集光し、該散乱光以外の光は集光しないように構成されたものとする。
【００１２】
ここにいう「集光手段」としては、例えば、前記図２（ｂ）に示す集光手段１２の入射孔２２の中心線１２ｃより、右部分１２ｄをカットした残りの部分１２ｅを用いることができる。また「集光手段の切欠部」としては、前記入射孔２２のうち、中心線１２ｃよりほぼ左半分２２ａを用いることができる。
前記検出器は、前記集光手段により集光された試料測定部位からの散乱光を、光電変換する。
【００１３】
なお、前記微粒子測定装置において、前記出射手段と集光手段の間の光路中には、出射手段からの光束のうち、実質的に、散乱光のみをカットする本体と、該散乱光以外の光束を通過する切欠部を含むアパーチャを設けることが好適である。
ここにいう「アパーチャ」としては、例えば、図３（ｂ）に示すアパーチャ１８の入射孔２０の中心線１８ａより、右半分１８ｂをカットした残りの部分１８ｃを用いることができる。また「アパーチャの切欠部」としては、前記入射孔２０のうち、中心線１８ａよりほぼ左半分２０ａを用いることができる。
【００１４】
【発明の実施形態】
本発明において特徴的なことは、例えば、集光レンズ等の出射手段からの散乱光、集光手段からの散乱光Ｌ４、アパーチャからの散乱光Ｌ５等のダーク光が、集光手段により集光されるのを大幅に低減可能なことであり、このために本実施形態においては、集光手段として、前記図１、図２に示す楕円面鏡をそのまま用いるのでなく、次に掲げるものを用いた。
【００１５】
以下、図面に基づき、本発明の好適な一実施形態について説明する。
図４には、本実施形態に係る微粒子測定装置１１０の集光手段１１２ｅ近傍の概略構成が示されている。
なお、同図（ａ）は、本実施形態に係る集光手段１１２ｅ近傍の縦断面図、同図（ｂ）は、同様の集光手段１１２ｅの上面図、同図（ｃ）は、同様の集光手段１１２ｅの右側面図である。また、前記図１〜図３と対応する部分には、符号１００を加えて示し説明を省略する。
【００１６】
同図に示すように、本実施形態において、集光手段１１２ｅは、集光レンズ１１１４からの光束Ｌ１を、試料測定部位１２４ａまで通過する切欠部１２２ａと、実質的に、該試料測定部位１２４ａからの散乱光Ｌ２のみを集光し、該試料測定部位１２４ａからの散乱光Ｌ２以外の光Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５は集光しないように構成された略楕円状の鏡面１１２ａを含む。
より具体的には、集光手段１１２ｅとして、前記図２（ｂ）に示す集光手段１２の入射孔２２の中心線１２ｃより、右部分１２ｄをカットした残りの部分１２ｅを用いた。
【００１７】
また、本実施形態において、集光手段１１２ｅの切欠部１２２ａとしては、前記図２（ｂ）に示す集光手段１２の入射孔２２のうち、中心線１２ｃよりほぼ左半分２２ａを用いた。
また、本実施形態において、図５に示すように、アパーチャ１１８ｃは、集光レンズ１１４からの光束Ｌ１のうち、実質的に、散乱光Ｌ６のみをカットする本体と、該散乱光Ｌ６以外の光束を通過する切欠部１２０ａを含む。
より具体的には、アパーチャ１１８ｃとして、前記図３（ｂ）に示すアパーチャ１８の入射孔２０の中心線１８ａより、右半分１８ｂをカットした残りの部分１８ｃを用いた。
【００１８】
また、本実施形態において、アパーチャ１１８ｃの切欠部１２０ａとしては、前記図３（ｂ）に示す入射孔２０のうち、中心線１８ａよりほぼ左半分２０ａを用いた。
本実施形態にかかる微粒子測定装置１１０の集光手段１１２ｅの近傍は、概略以上のように構成され、以下にその作用について説明する。
レーザ光Ｌ１の出射方向前方には、集光レンズ１１４が設けられ、該集光レンズ１１４により、スポットサイズが収束されたレーザ光源１１６からのレーザ光Ｌ１は、アパーチャ１１８ｃに入る。
【００１９】
ここで、一般的なアパーチャでは、例えば、前記図３（ａ）に示すように、入射孔２０の中心線１８ａより右半分１８ｂのエッジ部分１８ｄ，１８ｅにて散乱光等のダーク光が生じると、該ダーク光は、集光手段の奥深くまで入り、集光されてしまうおそれがあった。
【００２０】
そこで、本実施形態において、アパーチャ１１８ｃは、一般的なアパーチャをそのまま用いるのでなく、前述のように、前記図３（ｂ）に示すアパーチャ１８の入射孔２０の中心１８ａより、右半分１８ｂをカットした残りの部分１８ｃを用いた。また、その切欠部１２０ａとしては、前記図３（ｂ）に示すアパーチャ１８の入射孔２０のうち、中心線１８ａよりほぼ左半分２０ａを用いた（図５（ａ），（ｂ）参照）。
【００２１】
この結果、本実施形態においては、前記図３に示す入射孔２０が設けられた一般的なアパーチャ１８に比較し、アパーチャのエッジ部分１８ｄ，１８ｅ等での散乱光の発生を低減し、該散乱光等のダーク光が集光手段により集光されるのを大幅に低減することができる。このため、雑音信号の要因となるでのダーク光を、より低減し、これにより信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の向上を、さらに図ることができる。
【００２２】
そして、前記図４に示すように、アパーチャ１１８ｃを出たレーザ光Ｌ１は、集光手段１１２ｅに入る。この集光手段１１２ｅの入射溝１２２ａを通過したレーザ光Ｌ１は、所定のスポットサイズで、測定部位１２４ａである第一焦点近傍１１２ｂのシリコンウエハ１２４上に照射される。
ここで、集光手段として、従来のように、一般的な楕円面鏡をそのまま用いると、検出をすべき測定部位１２４ａからの散乱光Ｌ２だけでなく、雑音信号の要因となる測定部位１２４ａ以外からのダーク光Ｌ４，Ｌ５も集光してしまう。
【００２３】
そこで、本実施形態において、集光手段１１２ｅは、一般的な楕円面鏡をそのまま用いるのでなく、前記図２（ｂ）に示す集光手段１２の入射孔２２の中心１２ｃより、右部分１２ｄをカットした残りの部分１２ｅを用いた。
この結果、本実施形態においては、集光レンズ等の出射手段からの散乱光、アパーチャからの散乱光Ｌ５、集光手段からの散乱光Ｌ４等のダーク光が、シリコンウエハ１２４上に入射しても、集光手段１１２ｅは、これらのダーク光を集光せず、試料測定部位１２４ａからの散乱光Ｌ２のみを、集光率が高い略楕円状の鏡面１１２ｅで集光することができる。
【００２４】
しかも、集光レンズ１１４からのレーザ光Ｌ１を、試料測定部位１２４ａまで通過するため、従来の楕円面鏡のように入射孔でなく、切欠部１２２ａを設けることとしたので、一般的な楕円面鏡では、例えば、前記図２に示すように、入射孔２２の中心線１２ｃより右部分１２ｄのエッジ部分１２ｆ，１２ｇにて散乱光Ｌ４等のダーク光が生じると、該ダーク光は、集光手段１２の奥深くまで入り、集光手段１２に集光されてしまうおそれがあったのに対し、本実施形態では、そのエッジ部分１２ｆ、１２ｇ等での散乱光の発生を低減し、該散乱光等のダーク光が集光手段１１２ｅにより集光されるのを大幅に低減することができる。
【００２５】
この結果、楕円面鏡の高い集光率は、ほぼそのままで、雑音信号の要因となるダーク光のみを大幅に低減し、これにより信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の向上を図ることができる。
以上のように、本実施形態に係る微粒子測定装置１１０によれば、集光手段として一般的な楕円面鏡をそのまま用いるのでなく、例えば、前記図２（ｂ）に示す楕円面鏡等の集光手段１２の入射孔２２の中心線１２ｃより、右部分１２ｄをカットした残りの部分１２ｅを用いることとしたので、集光レンズ１１４等の出射手段からの散乱光、アパーチャ１１８ｃからの散乱光Ｌ５、集光手段１１２ｅからの散乱光Ｌ４等のダーク光が、シリコンウエハ１２４上に入射しても、集光手段１１２ｅは、これらのダーク光を集光せず試料測定部位１２４ａからの散乱光Ｌ２のみを、集光率が高い略楕円状の鏡面１１２ａで集光することができる。
【００２６】
しかも、集光レンズ１１４からのレーザ光Ｌ１を、試料測定部位１２４ａまで通過するため、従来の楕円面鏡のように孔部でなく、切欠部１２２ａを設けることとしたので、そのエッジ部分等での散乱光の発生を低減し、該散乱光等のダーク光が集光手段１１２ｅにより集光されるのを大幅に低減することができる。
この結果、楕円面鏡の高い集光率は、ほぼそのままで、雑音信号の要因となるダーク光のみを大幅に低減し、これにより信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の向上を図ることができる。
【００２７】
また、本実施形態に係る微粒子測定装置１１０によれば、一般的なアパーチャをそのまま用いるのでなく、前記図３（ｂ）に示すアパーチャ１８の入射孔２０のうち、中心線１８ａより、ほぼ右半分１８ｂをカットした残りの部分１８ｃを用いることとしたので、そのエッジ部分等での散乱光の発生を低減し、該散乱光等のダーク光が集光手段１１２ｅにより集光されるのを大幅に低減することができる。
この結果、雑音信号の要因となるでのダーク光を、より低減し、これにより信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の向上を、さらに図ることができる。
【００２８】
なお、本発明の微粒子測定装置としては、前記各構成に限られるものでなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、本実施形態においては、試料としてパターン未形成シリコンウエハを用い、該シリコンウエハ上に付着している粒子の直径を計測した場合について説明したが、本発明では、これに代えて、任意のものを用いることができる。
【００２９】
また、本実施形態においては、前述のように、集光率の点で、集光手段として鏡面がほぼ楕円状のものを用いることが好適であるが、本発明では、試料の測定部位からのレーリ散乱光の集光率が高く、かつ、該試料測定部位からのレーリ散乱光以外の光は集光しないものであれば、これに代えて、任意のものを用いることができる。即ち、ダーク光が集光されるのを低減し、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の向上を図ることができるからである。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る微粒子測定装置の光学系によれば、前述のように、集光手段として、出射手段からの光束を、試料測定部位まで通過する切欠部と、実質的に、該試料測定部位からの散乱光のみを集光し、該散乱光以外の光は集光しないように構成された略楕円状の鏡面を含むものを用いることとしたので、集光レンズ等の出射手段からの散乱光、アパーチャからの散乱光、集光手段からの散乱光等のダーク光が、試料に入射しても、集光手段は、これらのダーク光を集光せず試料測定部位からの散乱光のみを、集光率が高い略楕円状の鏡面で集光することができる。
しかも、出射手段からの光束を、試料測定部位まで通過するため、従来の楕円面鏡のように孔部でなく、切欠部を設けることとしたので、そのエッジ部分等での散乱光の発生を低減し、該散乱光等のダーク光が集光手段により集光されるのを大幅に低減することができる。
この結果、楕円面鏡の高い集光率は、ほぼそのままで、雑音信号の要因となるダーク光のみを大幅に低減し、これにより信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の向上を図ることができる。
なお、前記微粒子測定装置の光学系において、前記出射手段と集光手段の間の光路中には、出射手段からの光束のうち、実質的に、散乱光のみをカットする本体と、該散乱光以外の光束を通過する切欠部を含むアパーチャを設けることにより、そのエッジ部分等での散乱光の発生を低減し、該散乱光等のダーク光が集光手段により集光されるのを大幅に低減することができる。
この結果、雑音信号の要因となるでのダーク光を、より低減し、これにより信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の向上を、さらに図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来の微粒子測定装置の概略構成の説明図である。
【図２】図２（ａ）は、図１に示す微粒子測定装置の集光手段である楕円面鏡の問題点の説明図、図２（ｂ）は、同様の楕円面鏡の上面図、図２（ｃ）は、同様の楕円面鏡の右側面図である。
【図３】図３（ａ）は、図１に示す微粒子測定装置のアパーチャの正面図、図３（ｂ）は、同様のアパーチャの上面図である。
【図４】図４（ａ）は、本発明の一実施形態に係る微粒子測定装置の集光手段近傍の説明図、図４（ｂ）は、同様の集光手段の上面図、図４（ｃ）は、同様の集光手段の右側面図である。
【図５】図５（ａ）は、図４に示す微粒子測定装置のアパーチャの正面図、図５（ｂ）は、同様のアパーチャの上面図である。
【符号の説明】
１１０微粒子測定装置
１１２ｅ集光手段
１１４集光レンズ（出射手段）
１１６レーザ光源（出射手段）
１１８ｃアパーチャ
１２０ａアパーチャ切欠部
１２２ａ集光手段切欠部
１２４シリコンウエハ（試料）
１２４ａ測定部位

Claims

光束を出射し、該光束を試料の測定部位に照射するための出射手段と、
前記出射手段と試料の間の光路中に設けられ、該出射手段からの光束を、該試料測定部位まで通過する切欠部、及び該切欠部を設けることにより、該実質的に、該試料測定部位からの散乱光のみを集光し、該散乱光以外の光は集光しないように構成された略楕円状の鏡面を含む集光手段と、
前記集光手段により集光された試料測定部位からの散乱光を、光電変換する検出器と、
を備えたことを特徴とする微粒子測定装置の光学系。
請求項１記載の微粒子測定装置の光学系において、前記出射手段と集光手段の間の光路中には、出射手段からの光束のうち、実質的に、散乱光のみをカットする本体と、該散乱光以外の光束を通過する切欠部を含むアパーチャを設けたことを特徴とする微粒子測定装置の光学系。