JPS62267625A

JPS62267625A - エリプソメ−タ

Info

Publication number: JPS62267625A
Application number: JP11137286A
Authority: JP
Inventors: Miyuki Shigehisa; 重久　三行
Original assignee: Japan Spectroscopic Co Ltd
Current assignee: Jasco Corp
Priority date: 1986-05-15
Filing date: 1986-05-15
Publication date: 1987-11-20

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野この発明は半導体等の各種物体上の薄膜の厚さあるいは
ＷＪＷＡの屈折率等の物性を測定するため等に使用され
る、光の反射時の偏光状態を測定するためのエリプソメ
ータに関するものである。

従来の技術第３図に示すように、表面に薄膜２を有する試料１の表
面に、直線偏光を斜め方向から入射させれば、試料表面
上の薄膜厚さや屈折率によって反射光の偏光状態が変わ
り、通常は楕円偏光となって反射される。したがってこ
の反射光の偏光変化量を測定し、解析計算を行なうこと
によって薄膜の厚さや屈折率を求めることができ、これ
をエリプソメトリと称し、またその装置を一般にエリプ
ソメータと称している。

ところで従来のエリプソメータとしては、反射光の光路
中に配置した偏光子（検光子）を回転させる方式、ある
いは上述の検光子と入射光路中の偏光子との両者を回転
する方式がほとんどである。

これらはいずれも測定時に機械的に回転させる部分を有
し、しかもその回転は高精度で行なわなければならない
。

発明が解決すべき問題点前述のように検光子等を機械的に回転させる方式のエリ
プソメータでは、可動機構部の構成が精密かつ複雑なも
のとなって高価とならざるを得ず、また可動部分の角度
の狂いやガタが生じて測定精度が低下するおそれがあり
、ざらには部品交換時等における較正作業が容易ではな
く、また高速測定も困難である等の問題がある。

この発明は以上の事情に鑑みてなされたもので、機械的
可動部分を伴なうことなく、反射光の楕円偏光の解析を
行ない得るようにしたエリプソメータを提供することを
目的としたものである。

問題点を解決するための手段この発明は、直線偏光を試料面に入射せしめてその反射
光の偏光状態を測定するエリプソメータにおいて、入射
光の光路中に、試料面への入射直線偏光の偏光方位を一
定に保つように直線偏光素子を配置し、反射光の光路中
に、撮幅δ０、変調角周波数ωなる位相変調素子をその
遅延軸が入射面に対して４５°となるように配置すると
ともに、その位相変調素子の出射側に、透過軸が入射面
に対して平行もしくは垂直となるように検光子を配置し
、さらにその検光子の出射側に光を充電変換するための
光検出器を配置し、さらにその光検出器の出力信号のω
／２π成分、ω／π成分および直流成分をそれぞれ独立
して取出すための信号成分分離回路を設け、前記各成分
から演算によって反射光の楕円偏光の光強度、楕円率お
よび楕円軸方位を求めるようにしたことを特徴とするも
のである。

ここで、光源として波長を変化させ得る単色光光源を用
い、試料に入射ざぜる波長を走査させることにより偏光
状態の波長分散を測定できるようにした膚或としても良
い。また試料面への入射角を可変としても良い。

作　　用試料面への直線偏光を入射させた時の試料表面からの反
射光は一般に楕円偏光となり、その楕円偏光の光学状態
を表現するために直交座標系を用いれば、一般に第１図
に示すように表わされる。

ここでχは楕円率、αは軸方位である。そして楕円偏光
は、楕円率：χ＝ｔａｎ（ｌ／ＴｒＬ＞　　　−’−（１）
軸方位：α　　　　　　・・・（２）光強度：　Ｉｏ　＝ｍ２＋１２・（３）回転方向：χの
符号　　　　　　　・・・（４）以上（１）〜（４）に
よって表わされる。

一方、楕円偏光の数学的表現としては、上記の方法とは
異なるストークスのベクトル表示がある。

これは光の偏光状態を光学索子で変化させた場合の信号
の数学的解析に便利であり、一般に使用される表現方法
とは異なり、次の（５）式によって表現される。

但しここでａＸｌａｙは第１図中に示す値であり、また
γはａｘとａｙどの位相差を表わす。

ところでこの発明のエリプソメータでは、試料からの反
射光の光路中すなわち試料と光検出器との間に光学素子
として位相変調器および検光子（＠光子）を配置して、
反射光に対し光学的に位相変調を与えている。この場合
の信号の取扱いは、各光学素子をミューラ行列で表現し
て、前記（５）式による楕円偏光のストークスベクトル
表示と、各光学素子のミューラ行列とを掛は合わせれば
、数学的計算により光強度が得られる。

この発明において光学的位相変調器のミューラ行列は次
の（６）式で表される。

但しδは光学的位相変調器の変調の角周波数（角速度）
をω、振幅を６０として、 δ＝δ□　ｓ１ｎωｔ　　　　　　　・・・（７）で定
義される。

また検光子（偏光子）のミューラ行列は、次の（８）式
で表される。

そして光検出器からの出力、すなわち検出器の光強度出
力信号は、（５）式、（６）式、（８）式を掛は合せた
ものとなる。すなわち光検出器の出力■は、これらの掛
は合せ計算結果として、次の（９）式で表わされる。

１−１／２（ａ　　２＋　ａ　　”　ｌ＋（ａ　　−ａ
　　２１（Ｊｏ　（δＯ）÷２Ｊ２（δｏ　）　Ｓｉｆ
ωｔ）ｙｘｙ２　ａｘ　ａｙｓｌｎγ・２山（δｏ　）　５ｌｎ（ｄ
　ｔ　　　　　　　　　　−（９）そこでこの（９）式
で表わされる光検出器の出力を、ＤＣＣ成分（ＤＣ）、
ω成分ｖ（ω）、２ω成分Ｖ（２ω）にそれぞれ分離す
れば、次の（１０）式、（１１）式、（１２）式に示さ
れる各成分信号が得られる。

Ｖ　（ω）−ａｘａｙｓ＋ｎγ・山（δ０）　　　　　
・・・（１０）ｖ（２ω）−（ａ　　’−８”）・Ｊ２
　（δ０）　　　　　・・・（１１）　　　　ｙこれらの（１０）〜（１２）式を数学的に連立方程式と
して解けば、次の（１３）式、（１４）式、（１５）式
が導かれ５Ｉｎ７＝Ｖ（ω）／（２ａ　−ａ　・山（δ
ｏ　）　）　　　　−（１５）　　ｙしたがって、各成分■（ω＞、Ｖ（２ω）、Ｖ　（ＤＣ
）のそれぞれの値を記憶させて、（１３）式、（１４）
式、（１５）式・の計算を実行させれば、ａｘｌａ、ｓ
１ｎγの値が導き出される。

一方ａｘ、ａ、Ｓｉｎγと楕円偏光の楕円率χ、軸方位
α、光強度ＩＯとの間には従来から知られているように
次の（１６）式、（１７）式、（１８）式が成立してい
る。

５ｌｎ２ｘ　−［ｓ＋ｎ２　（ｔａｒｒｌ　（ａ、／ａ
Ｘ）　）　］　・ｓ＋ｎγ・−（１６）ｔａｎ２ｆｆ−
［ｔａｎ２　（ｔａｎｋ　（ａｙ／ａＸ）　）　］　’
Ｃ０Ｓ７　　　”’（１７）１ｏ−ａ　”　＋８　”　
　　　　　　　　　　　　−（１８）　　　　ｙしたがって、前述のように（１３）〜（１５）式により
ａｘ、ａｙ、Ｓｉｎγの値が求まれば、（１６）〜（１
８）式によって楕円率χ、軸方位α、光強度ＩＯが求め
られる。

このように、反射光を角速度ωで位相変調することによ
って、光検出器の出力のＤＣ成分、ω成分、２ω成分か
ら計算によって楕円偏光のパラメータが求まり、反射光
の楕円偏光の状態を知得することができるのである。

なお前述のような楕円偏光のパラメータが求められれば
、それに基いて試料面上の薄膜の厚さを計算によって求
めることが可能であり、またその方法は公知である。

実施例第２図にこの発明のエリプソメータの一実施例を示す。

第２図において、白色光源３からの光はモノクロメータ
４に入射されて特定波長域の単色光が選ばれ、その単色
光は偏光子（ポーラライザ）５に入射されて、所定の偏
光方位の直線偏光となり、試料１に対し入射角ψ０で入
射される。試料１からの反射光は楕円偏光となり、位相
変調器（光学的偏光変調器）６、例えばファラデーセル
のようなフォトエラスティック変調器に入射され、所定
の変調角速度ωで左回りの円偏光、右回りの円偏光に交
番的に変化せしめられる。位相変調器６により偏光変調
された光は１．検光子（アナライザ；偏光子）７に入射
され、さらにその検光子７から出射された光はフォトマ
ルチプライヤ等の光検出器８に入射され、電気信号に変
換される。

ここで、前記位相変調器６は、その遅延軸が入射面に対
し４５°をなすように配置され、また検光子７はその透
過軸が入射面に対し平行または垂直となるように配置さ
れる。

前記光検出器８の出力信号は、信号成分分離回路９によ
って直流（ＤＣ）成分、ω成分、２ω成分にそれぞれ分
離して取出される。この信号成分分離回路９は、フィル
タおよび／または同期整流器等を用いて構成することが
でき、また同期整流器を用いる場合は変調器６の変調信
号と同期させることは勿論でおる。信号成分分離回路９
から得られた各成分の信号はコンピュータあるいは専用
の演算装置などの演算手段１０に入力されて、前述の（
１３）〜（１５）式の連立方程式を解く演算、ざらには
（１６）〜（１８）式の演算がなされ、楕円率χ、軸方
位α、光強度１ｏが求められる。

なお上述の説明において、光源部分のモノクロメータに
選択波長を可変とした回折格子等の素子を用い、波長走
査を行ないつつ測定を行なえば、偏光状態の波長分散を
も知ることができる。

また試料面に入射させる光の角度（入射角）を可変とし
得るように、例えば入射光路の各部品を保持する図示し
ないアームを、試料保持台に対し角度変化可能に溝成し
、また出射光路の各部品を保持する図示しないアームを
同じく試料保持台に対し角度変化可能に構成しておくこ
とが望ましい。

発明の効果この発明のエリプソメータによれば、試料反射光に対し
位相変調を行なって検出光強度信号の直流成分、ω成分
、２ω成分を分離することにより、それらの成分から試
料反射光の楕円偏光の状態を求めることができ、したが
って従来の装置のように検光子や偏光子を回転させる必
要がなく、したがってそれらを回転させるだめの駆動機
構や伝達機構が不要となり、そのため構成が簡単かつ安
価となるとともに、可動部分の狂いやガタにより測定精
度が低下するおそれがなく、また較正作業も容易となる
とともに高速測定も可能となる等、各種の効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は楕円偏光のパラメータを説明するための線図、
第２図はこの発明の一実施例のエリプソメータを示すブ
ロック図、第３図は一般的なエリプソメトリの概念を示
す線図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）直線偏光を試料面に入射せしめてその反射光の偏
光状態を測定するエリプソメータにおいて、入射光の光路中に、試料面への入射直線偏光の偏光方位
を一定に保つように直線偏光素子を配置し、反射光の光
路中に、振幅δ＿０、変調角周波数ωなる位相変調素子
をその遅延軸が入射面に対して４５°となるように配置
するとともに、その位相変調素子の出射側に、透過軸が
入射面に対して平行もしくは垂直となるように検光子を
配置し、さらにその検光子の出射側に光を光電変換する
ための光検出器を配置し、さらにその光検出器の出力信
号のω／２π成分、ω／π成分および直流成分をそれぞ
れ独立して取出すための信号成分分離回路を設け、前記
各成分から演算によって反射光の楕円偏光の光強度、楕
円率および楕円軸方位を求めるようにしたことを特徴と
するエリプソメータ。
（２）光源として、波長を変化させ得る単色光光源を用
い、試料に入射させる光の波長を走査させることによっ
て偏光状態の波長分散を測定するように構成した特許請
求の範囲第１項記載のエリプソメータ。
（３）試料面への入射角を可変に構成した特許請求の範
囲第１項記載のエリプソメータ。