JP3141498B2 - Ellipsometer parameter measurement method and ellipsometer - Google Patents

Ellipsometer parameter measurement method and ellipsometer

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JP3141498B2
JP3141498B2 JP04061942A JP6194292A JP3141498B2 JP 3141498 B2 JP3141498 B2 JP 3141498B2 JP 04061942 A JP04061942 A JP 04061942A JP 6194292 A JP6194292 A JP 6194292A JP 3141498 B2 JP3141498 B2 JP 3141498B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、薄い膜厚を測定する場
合に用いるエリプソパラメータを測定するエリプソパラ
メータ測定方法およびこの方法を用いたエリプソメータ
に係わり、特に、所属象限を含む位相差Δと振幅比 tan
ψとで決定されるエリプソパラメータΔ,ψを高速に求
めるエリプソパラメータ測定方法およびエリプソメータ
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ellipsometric parameter measuring method for measuring an ellipsometric parameter used for measuring a thin film thickness and an ellipsometer using the method, and more particularly to a phase difference .DELTA. Ratio tan
The present invention relates to an ellipsometric parameter measurement method and an ellipsometer for quickly obtaining ellipsometric parameters Δ and さ れ る determined by ψ and ψ.

【0002】[0002]

【従来の技術】薄膜の膜厚を測定する手法としてエリプ
ソメトリ手法が提唱されている。この手法においては、
薄膜等の試料面で光が反射する際の偏光状態の変化、す
なわち電場ベクトルの入射面に平行な成分(P成分)の
反射率Rpと、垂直な成分(S成分)の反射率Rsとの
比ρを(8) 式で測定して、すでに確立されている偏光反
射率比ρと膜厚dとの一定の関係に従って、この膜厚d
を求める。 ρ=Rp/Rs= tanψ exp[jΔ] …(8)
2. Description of the Related Art As a technique for measuring the thickness of a thin film, an ellipsometry technique has been proposed. In this approach,
The change in the polarization state when light is reflected on the sample surface such as a thin film, that is, the reflectance Rp of the component (P component) parallel to the plane of incidence of the electric field vector and the reflectance Rs of the component (S component) perpendicular to the plane of incidence. The ratio ρ is measured by the equation (8), and according to the already established relationship between the polarization reflectance ratio ρ and the film thickness d, this film thickness d
Ask for. ρ = Rp / Rs = tanψexp [jΔ] (8)

【0003】ここで、偏光反射率比ρは、(8) 式に示す
ように、一般に複素数であるので、2つのエリプソパラ
メータ、つまり振幅比 tanψ、および位相差Δを求める
必要がある。
Here, since the polarization reflectance ratio ρ is generally a complex number as shown in equation (8), it is necessary to determine two ellipso parameters, that is, an amplitude ratio tanψ and a phase difference Δ.

【0004】従来このエリプソパラメータψ,Δを求め
る方法として、消光法と言われる方式がある。この方法
においては、例えば、光源から測定対象に対して所定角
度で偏光した光を入射させ、その測定対象からの楕円偏
光された反射光を1/4波長板と検光子とを透過させて
受光器に導く。そして、受光器で得られる光強度信号を
例えば測定器で監視しながら前記1/4波長板と検光子
をそれぞれ回転させて光強度が最小になる回転角度を得
て、この回転角度から前記エリプソパラメータを算出す
る。しかし、この方法においては、検光子を回転させて
光強度の最小角度位置を探す必要があるので、測定に多
大の時間が必要であった。
Conventionally, there is a method called an extinction method as a method for obtaining the ellipsometric parameters ψ and Δ. In this method, for example, light polarized at a predetermined angle from a light source is incident on a measurement target, and elliptically polarized reflected light from the measurement target is transmitted through a quarter-wave plate and an analyzer and received. Guide to the vessel. Then, while monitoring the light intensity signal obtained by the light receiver, for example, with a measuring instrument, the quarter-wave plate and the analyzer are rotated to obtain a rotation angle at which the light intensity is minimized. Calculate the parameters. However, in this method, it is necessary to rotate the analyzer to search for the minimum angle position of the light intensity, so that much time is required for the measurement.

【0005】そこで、上記エリプソパラメータを比較的
高速に測定する手法として、回転検光子を用いる手法が
提唱されている。すなわち、この測定方法においては、
上記消光法と同様に光源から測定対象に対して例えば4
5°等の所定角度に直線偏光した光を入射させ、測定側
の回転検光子を角周波数ωで回転させたときに受光器に
て得られる光強度の出力波形は、定数倍を除けば、ジョ
ーンズ・ペクトルを用いて(9) 式で示される。
Therefore, as a method for measuring the above-mentioned ellipsometric parameters at a relatively high speed, a method using a rotary analyzer has been proposed. That is, in this measurement method,
As with the quenching method, for example, 4
When linearly polarized light is incident at a predetermined angle such as 5 °, and the rotating analyzer on the measurement side is rotated at the angular frequency ω, the output waveform of the light intensity obtained by the light receiver is, except for a constant multiple, It is expressed by equation (9) using Jones vector.

【0006】[0006]

【数2】 は、45°方向の入射直線偏光を示す。そして、(10)式
の第1成分はP偏光成分を、第2成分はS偏光成分を示
している。また、
(Equation 2) Indicates incident linearly polarized light in the 45 ° direction. The first component of equation (10) represents a P-polarized component, and the second component represents an S-polarized component. Also,

【0007】[0007]

【数3】 (Equation 3)

【0008】は、角周波数ωで回転する回転検光子の時
刻tにおける作用を示す行列である。但し、時刻t=0
で回転検光子はP偏光(基準方向に対して0°の直線偏
光)を検出する向きに位置決めされている。この場合、
(9) 式からエリプソパラメータΔ,ψを求める。
Is a matrix showing the action at time t of the rotating analyzer rotating at the angular frequency ω. However, time t = 0
The rotary analyzer is positioned so as to detect P-polarized light (linearly polarized light at 0 ° with respect to the reference direction). in this case,
The ellipsometric parameters Δ and ψ are obtained from Eq. (9).

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た回転検光子を用いたエリプソパラメータ測定方法にお
いても次のように課題があった。
However, the ellipsometric parameter measuring method using the above-mentioned rotary analyzer has the following problems.

【0010】1) エリプソパラメータΔ,ψを求める
(9) 式の形から理解できるように、位相差の情報が[ c
osΔ]の形で得られるので、正しい位相差が、Δである
のか(360°−Δ)であるかの区別がつかない。ま
た、入射光として円偏光を用いた場合の出力波形は(13)
式で示される。
1) Find ellipso parameters Δ and ψ
As can be understood from the expression (9), the information of the phase difference is [c
osΔ], it is indistinguishable whether the correct phase difference is Δ or (360 ° −Δ). The output waveform when circularly polarized light is used as the incident light is (13)
It is shown by the formula.

【0011】[0011]

【数4】 (Equation 4)

【0012】この場合においても、エリプソパラメータ
のうちの位相差の情報は[ sinΔ]の形で得られるの
で、正しい位相差が、Δであるのか(90°−Δ)であ
るかの区別がつかない。
Also in this case, since the information on the phase difference among the ellipso parameters is obtained in the form of [sinΔ], it can be distinguished whether the correct phase difference is Δ or (90 ° −Δ). Absent.

【0013】したがって、この得られた位相差Δが第1
象限(0°〜90°)から第4象限(270°〜360
°)のうちのいずれの象限(ゾーン)に所属するかを判
定する必要がある。この判定を一般にゾーン判定と称し
ている。一般的なゾーン判定手法として、測定対象に対
する入射光の光路に1/4波長板を挿入して入射光を円
偏光とした場合の出力波形と、1/4波長板を挿入しな
いで入射光を直線偏光とした場合の出力波形とを求め
て、この両方の出力波形を比較対照することによって所
属ゾーンを判定する手法が採用されている。しかし、こ
の手法においては、同一測定点に対して2回の測定を実
施する必要があり、前述した消光法に比較して、格段に
測定能率が上昇するとは限らない。
Therefore, the obtained phase difference Δ is the first
From the quadrant (0 ° to 90 °) to the fourth quadrant (270 ° to 360 °)
°), it is necessary to determine which quadrant (zone) it belongs to. This determination is generally called zone determination. As a general zone determination method, an output waveform when a quarter-wave plate is inserted into the optical path of the incident light with respect to the measurement target to make the incident light circularly polarized, and the incident light without the quarter-wave plate is inserted. An output waveform in the case of linearly polarized light is obtained, and a comparison is made between the two output waveforms to determine a belonging zone. However, in this method, it is necessary to perform two measurements for the same measurement point, and the measurement efficiency does not always increase significantly as compared with the quenching method described above.

【0014】2) 測定対象からの反射光は楕円偏光状
態となるが、この楕円が円に近い場合は、測定精度が低
下する問題があった。すなわち、(9) 式又は(13)式の波
形を離散フーリエ変換して得られるcos2ψとsin2ψ・co
s Δ(又はsin2ψ・sin Δ)から位相差Δを求めるが、
例えば直線偏光入射で位相差Δが90°近傍の場合、
(sin2ψ・cos Δ・cos2ωt )が常にほとんど0とな
り、位相差Δの情報を含んだ有効な信号成分が小さくな
り、位相差Δの測定精度が大幅に低下する。したがっ
て、高い測定精度を得るためには、測定対象に応じて、
1/4波長板を入射光または反射光の光路に介挿して、
測定系に入射される反射光の楕円偏光状態を変更する必
要がある。よって、測定作業能率がさらに低下する。
2) The reflected light from the object to be measured is in an elliptically polarized state, but when the ellipse is close to a circle, there is a problem that the measurement accuracy is reduced. That is, cos2ψ and sin2ψco obtained by performing discrete Fourier transform on the waveform of equation (9) or (13)
The phase difference Δ is obtained from s Δ (or sin2ψ · sin Δ),
For example, when the phase difference Δ is near 90 ° when linearly polarized light is incident,
(Sin2ψ · cos Δ · cos2ωt) is almost always 0, the effective signal component including the information of the phase difference Δ is reduced, and the measurement accuracy of the phase difference Δ is greatly reduced. Therefore, in order to obtain high measurement accuracy, depending on the measurement target,
By inserting a quarter-wave plate in the optical path of incident light or reflected light,
It is necessary to change the elliptically polarized state of the reflected light incident on the measurement system. Therefore, the measurement work efficiency is further reduced.

【0015】3) 一つの測定を実行する場合に必ず検
光子を1回転させる必要があり、その回転には一定以上
の時間が必要である。したがって、高速で移動している
測定対象のエリプソパラメータψ,Δを求めて、このエ
リプソパラメータから膜厚dを測定することは不可能で
ある、また、機械的な可動部分が存在するので装置自体
が大型化し、工場の製造ライン等に据付け、オンライン
で例えば連続して供給される測定対象の膜厚を測定する
ことはできなかった。
3) When performing one measurement, it is necessary to rotate the analyzer by one rotation, and the rotation requires a certain time or more. Therefore, it is impossible to obtain the ellipsometric parameters ψ and Δ of the measuring object moving at high speed and to measure the film thickness d from these ellipsometric parameters. Further, since there are mechanically movable parts, the apparatus itself is not used. However, it has not been possible to measure the film thickness of a measurement object supplied continuously, for example, continuously on a production line of a factory, for example, online.

【0016】4) 検光子を回転させる機構や1/4波
長板を光路に対して挿脱する機構が必要である。これら
の機構には多数の可動部材が組込まれており、装置自体
が大型化するので、エリプソメータの設置場所が例えば
研究室内等の比較的広くて環境のよい場所に限定され
る。
4) A mechanism for rotating the analyzer and a mechanism for inserting and removing the quarter-wave plate from the optical path are required. Since a large number of movable members are incorporated in these mechanisms, and the size of the apparatus itself is increased, the installation place of the ellipsometer is limited to a relatively large and environmentally friendly place such as a laboratory.

【0017】また、機械的に可動するので、可動に要す
る多大の時間が必要となる。その結果、一つの測定点に
対して1/4波長板を挿脱して検光子を2回回転させる
と、1つの測定点に対する測定を実施するのに数秒の時
間を必要とし、オンライン状態における高速測定が不可
能であった。
Further, since it is mechanically movable, much time is required for the movement. As a result, if the analyzer is rotated twice by inserting and removing the quarter-wave plate with respect to one measurement point, it takes several seconds to perform the measurement for one measurement point, and the high speed in the online state is required. Measurement was not possible.

【0018】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、測定対象にて反射された楕円偏光をそれぞ
れ互いに異なる4つ以上の偏光成分に分離して各偏光成
分の光強度を検出してこの4つ以上の光強度から計算式
を用いてエリプソパラメータを算出することにより、検
光子を回転する必要なく、また1/4波長板を光路に対
して挿脱する必要なく、その結果、固定部材のみで構成
でき、可動部材を使用したことに起因する可動所要時間
を省略でき、1度の測定でほぼ瞬時にエリプソパラメー
タを測定でき、しかして、たとえ移動状態の測定対象に
対してもオンライン状態でエリプソパラメータが測定で
き、かつ膜厚も測定できるエリプソパラメータの測定方
法およぴエリプソメータを提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such circumstances, and separates elliptically polarized light reflected from an object to be measured into four or more mutually different polarization components to detect the light intensity of each polarization component. By calculating the ellipsometric parameters from the four or more light intensities using a calculation formula, there is no need to rotate the analyzer and no need to insert and remove the quarter-wave plate with respect to the optical path. , It can be composed only of fixed members, it can omit the time required for movement due to the use of movable members, can measure ellipsometric parameters almost instantaneously in one measurement, and even if it is a moving object, It is another object of the present invention to provide an ellipsometer parameter measurement method and an ellipsometer that can measure ellipsometer parameters online and can also measure film thickness.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】上記課題を解消するため
に本発明のエリプソパラメータ測定方法においては、測
定対象に対して偏光した光を所定角度で入射させ、この
測定対象の反射光をそれぞれ互いに異なる4つ以上の偏
光成分に分離し、この分離された4つ以上の偏光成分の
各光強度から、前記反射光における位相差Δと振幅比 t
anψとで決定されるエリプソパラメータΔ,ψをΔの所
属象限も含めて求める。
In order to solve the above-mentioned problems, in the ellipsometric parameter measuring method according to the present invention, polarized light is made incident on a measuring object at a predetermined angle, and reflected lights of the measuring objects are mutually reflected. The light is separated into four or more different polarized light components, and the phase difference Δ and the amplitude ratio t in the reflected light are obtained from the light intensities of the separated four or more polarized light components.
The ellipsometric parameters Δ and さ れ る determined by anψ are obtained including the belonging quadrant of Δ.

【0020】また、本発明のエリプソメータにおいて
は、偏光した光を測定対象に所定角度で入射させる光源
部と、測定対象にて反射された反射光を互いに異なる4
つ以上の偏光成分に分離する光学系と、この光学系にて
分離された各偏光成分の光強度を検出する4つ以上の受
光器と、この4つ以上の受光器にて検出された各光強度
から、反射光における位相差Δと振幅比 tanψとで決定
されるエリプソパラメータΔ,ψをΔの所属象限も含め
て求める演算部とを備えている。
Further, in the ellipsometer of the present invention, the light source unit for causing the polarized light to enter the object to be measured at a predetermined angle and the light reflected by the object to be measured are different from each other.
An optical system that separates the light into two or more polarized light components, four or more light receivers that detect the light intensity of each polarized light component separated by the optical system, and each light that is detected by the four or more light receivers. A calculation unit for obtaining ellipsometric parameters Δ and さ れ る determined from a phase difference Δ and an amplitude ratio tan に お け る in the reflected light, including the quadrant to which the Δ belongs.

【0021】また、別の発明のエリプソメータにおいて
は、前記演算部は次の(1)(2)(3)(4)式を用いて、反射光
における位相差Δと振幅比 tanψとで決定されるエリプ
ソパラメータΔ,ψをΔの所属象限も含めて求める。 tanψ=(|A|/|D|)1/2 …(1) tan(Δ−φ0 )=|B|/|C| …(2) ここで、|A|,|B|,|C|,|D|はそれぞれ
(3) 式で定義される行列A.B,C,Dの行列式であ
る。
In the ellipsometer of another invention, the arithmetic unit is determined by the phase difference Δ and the amplitude ratio tan in the reflected light using the following equations (1), (2), (3), and (4). The ellipsometric parameters Δ and る are obtained including the belonging quadrant of Δ. tanψ = (| A | / | D |) 1/2 .. (1) tan (Δ−φ 0 ) = | B | / | C | (2) where | A |, | B |, | C |, and | D |
Matrix defined by equation (3) This is the determinant of B, C, and D.

【0022】[0022]

【数5】 但し、 ai =α1i 2 i =2・χ・sin(β2i−β1i) ・α1i・α2ii =2・χ・cos(β2i−β1i) ・α1i・α2ii =−χ2 ・α2i 2 (i= 1,2,3,4) …(4)
(Equation 5) Where a i = α 1i 2 b i = 2 · χ · sin (β 2i −β 1i ) · α 1i · α 2ic i = 2 · χ · cos (β 2i −β 1i ) · α 1i · α 2id i = −χ 2 ・ Α 2i 2 (I = 1,2,3,4)… (4)

【0023】である。また、α1i,α2i,β1i,β2i
は反射光を4つ以上の偏光成分に分離する光学系によっ
て定まるパラメータであり、χ,φ0 は入射光の偏光状
態で定まるパラメータであり,Ii (i= 1,2,3,4)は
各受光器で検出された光強度である。また、別の発明の
エリプソメータにおいては、前記各パラメータα1i,α
2i,β1i,β2i (i= 1,2,3,4)を(5) 式にのように設
定している。 α1i=cosAi α2i=σi ・sinAi β1i=0 β2i=φi (i= 1,2,3,4) …(5)
## EQU1 ## Also, α 1i , α 2i , β 1i , β 2i
Is a parameter determined by the optical system that separates the reflected light into four or more polarization components, χ, φ 0 are parameters determined by the polarization state of the incident light, and I i (i = 1, 2, 3, 4) Is the light intensity detected by each light receiver. Further, in the ellipsometer of another invention, each of the parameters α 1i , α
2i , β 1i , β 2i (i = 1, 2, 3, 4) are set as shown in equation (5). α 1i = cosAi α 2i = σi · sinAi β 1i = 0 β 2i = φ i (i = 1,2,3,4)… (5)

【0024】ここで、Aiは測定対象への入射光の入射面
に平行な方向を基準方向とする偏光の方位角度であり、
σi ,φi は反射光を4つ以上の偏光成分に分離する光
学系によって定まる定数である。また、(1) (2) 式にお
いて、(|B|/|C|)と(|C|/|D|)との間
における正負関係に従って、算出された位相差Δの所属
象限を判別すればよい。
Here, Ai is the azimuthal angle of the polarized light with the direction parallel to the plane of incidence of the incident light on the object being measured as the reference direction.
σ i and φ i are constants determined by an optical system that separates the reflected light into four or more polarized light components. In the equations (1) and (2), the quadrant to which the calculated phase difference Δ belongs is determined according to the positive / negative relationship between (| B | / | C |) and (| C | / | D |). I just need.

【0025】さらに、測定対象にて反射された反射光を
互いに異なる4つ以上の偏光成分に分離する光学系を、
測定対象にて反射された反射光を互いに異なる複数方向
の光に分岐する無偏光ビームスプリッタと、この無偏光
ビームスプリッタにて分岐された各光をそれぞれ互いに
異なる方向の偏光成分に分解する複数の偏光ビームスプ
リッタとで構成すればよい。
Further, there is provided an optical system for separating the reflected light reflected by the object to be measured into four or more different polarization components.
A non-polarization beam splitter that splits the light reflected by the measurement target into light in different directions from each other, and a plurality of light sources that decompose each light split by the non-polarization beam splitter into polarization components in different directions. What is necessary is just to comprise with a polarization beam splitter.

【0026】また、別の発明のエリプソメータ測定方法
においては、測定対象に対して偏光した光を所定角度で
入射させ、この測定対象の反射光をそれぞれ互いに異な
る4つの偏光成分に分離し、この分離された4つの偏光
成分の各光強度I1 ,I2 ,I3 ,I4 から下記(6)(7)
式を用いて、反射光における位相差Δと振幅比 tanψと
で決定されるエリプソパラメータΔ,ψをΔの所属象限
も含めて求める。 tan(Δ−φ0 )=σT(I1 −I2 )/σR(I3 −I4 ) …(6) tanψ=[{χ2 (σT2 (I1 +I2 )−σR2 (I3 +I4 ))} ÷{(I1 +I2 )−(I3 +I4 )}]1/2 …(7)
In another ellipsometer measurement method according to another invention, polarized light is incident on a measurement object at a predetermined angle, and reflected light from the measurement object is separated into four different polarization components, respectively. From the respective light intensities I 1 , I 2 , I 3 and I 4 of the four polarized components obtained, the following (6) and (7)
The ellipsometric parameters Δ and 決定, which are determined by the phase difference Δ and the amplitude ratio tan に お け る in the reflected light, are calculated by using the equation, including the belonging quadrant of Δ. tan (Δ−φ 0 ) = σT (I 1 −I 2 ) / σR (I 3 −I 4 ) (6) tanψ = [{χ 2 (ΣT 2 (I 1 + I 2 ) −σR 2 (I 3 + I 4)) } ÷ {(I 1 + I 2) - (I 3 + I 4)}] 1/2 … (7)

【0027】但し、位相差φ0 および振幅比χは測定対
象に対する入射光の偏光状態で定まるパラメータであ
り、σRおよびσTは反射光を4つの偏光成分に分離す
る光学系で定まる定数である。
Here, the phase difference φ 0 and the amplitude ratio χ are parameters determined by the polarization state of the incident light with respect to the object to be measured, and σR and σT are constants determined by an optical system that separates the reflected light into four polarization components.

【0028】また、算出された位相差Δの所属象限の判
別材料として、(6) 式における[σT(I1 −I2 )]
とσR(I3 −I4 )]との間の正負関係を用いる。
Further, as a material for determining the belonging quadrant of the calculated phase difference Δ, [σT (I 1 −I 2 )] in the equation (6) is used.
And σR (I 3 −I 4 )].

【0029】さらに、別の発明のエリプソメータにおい
ては、偏光した光を測定対象に所定角度で入射させる光
源部と、測定対象にて反射された反射光を互いに異なる
4つの偏光成分に分離する光学系と、この光学系内にお
ける光路に介挿され、反射光の互い直交する偏光成分間
の位相差を相対的に変化させる波長板と、光学系にて分
離された各偏光成分の光強度を検出する4つの受光器
と、この4つの受光器にて検出された各光強度I1 ,I
2 ,I3 ,I4 から上述した(6)(7)式を用いて、反射光
における位相差Δと振幅比 tanψとで決定されるエリプ
ソパラメータΔ,ψをΔの所属象限も含めて求める演算
部とを備えている。
Further, in the ellipsometer according to another invention, a light source section for causing polarized light to enter a measuring object at a predetermined angle, and an optical system for separating reflected light reflected by the measuring object into four different polarized components. And a wave plate interposed in an optical path in the optical system and relatively changing a phase difference between mutually orthogonal polarization components of the reflected light, and detecting the light intensity of each polarization component separated by the optical system And the light intensities I 1 , I 1 detected by the four light receivers
The ellipsometric parameters Δ and さ れ る determined by the phase difference Δ and the amplitude ratio tan に お け る in the reflected light are obtained from 2 , 2 , 3 and I 4 using the above-described equations (6) and (7), including the quadrant to which the Δ belongs. And an operation unit.

【0030】そして、光学系を、測定対象にて反射され
た反射光を互いに異なる2方向の光に分岐する無偏光ビ
ームスプリッタと、この無偏光ビームスプリッタにて分
岐された各光をそれぞれ互いに異なる2方向の偏光成分
に分解する2つの偏光ビームスプリッタとで構成してい
る。
The optical system includes a non-polarization beam splitter that splits the reflected light reflected from the object to be measured into light beams in two different directions, and separates the light beams split by the non-polarization beam splitter from each other. It is composed of two polarization beam splitters that decompose into polarization components in two directions.

【0031】[0031]

【作用】まず、このように構成されたエリプソパラメー
タ測定方法およびエリプメータの動作原理を説明する。
前述したように、光源部から偏光した光が所定角度φで
測定対象に入射すると、例えば図3に示すように、この
測定対象にて反射される反射光は測定対象の膜厚等で定
まる一定形状の楕円偏光となる。そして、エリプソパラ
メータψ,Δは反射光のP成分とS成分との振幅比 tan
ψと位相差Δで決定される。したがって、本来ならば、
パラメータは2つであるが、例えば入射光が直線偏光の
場合は、位相差Δの符号は前記楕円偏光が右回りか左回
りかで定まる。しかし、受光器で測定された光強度には
楕円偏光の回転方向の情報が含まれないので、さらにも
う一つ独立した情報となる光強度が必要となる。このよ
うに3つの光強度が得られればよいが、絶対光量によら
ない無次元演算を行うために4つの光強度が必要とな
る。以下(1)(2)式を求める手順を説明する。例えば、測
定対象に対する入射光Einを
First, the operation principle of the ellipsometer parameter measuring method and the ellipsometer configured as described above will be described.
As described above, when light polarized from the light source unit enters the measurement object at a predetermined angle φ, for example, as shown in FIG. 3, the reflected light reflected by the measurement object is a constant light determined by the film thickness of the measurement object. The shape becomes elliptically polarized light. The ellipsometric parameters ψ and Δ are the amplitude ratio tan of the P component and the S component of the reflected light.
位相 and the phase difference Δ. Therefore, originally,
There are two parameters. For example, when the incident light is linearly polarized light, the sign of the phase difference Δ is determined depending on whether the elliptically polarized light is clockwise or counterclockwise. However, since the light intensity measured by the light receiver does not include information on the rotation direction of the elliptically polarized light, another independent light intensity is required. As long as three light intensities can be obtained in this manner, four light intensities are required to perform a dimensionless calculation that does not depend on the absolute light amount. The procedure for obtaining equations (1) and (2) will be described below. For example, the incident light Ein

【0032】[0032]

【数6】 (Equation 6)

【0033】として、測定対象の表面で反射されて、反
射光を4つ以上の偏光方向に分離する光学系を通過した
光、すなわち、偏光方向が方位角Ai(i=1,2,3,4) の偏光
方向の光を検出する検光子または偏光ビームスプリッタ
を通過した後の光の電場は Ki R(Ai)PR(-Ai) BSEin (i=1,2,3,4) …(1
5) で表すことができる。但し、Ki は各光学経路の透過
係数である。
The light reflected by the surface of the object to be measured and passed through an optical system that separates the reflected light into four or more polarization directions, that is, the polarization direction is the azimuth Ai (i = 1, 2, 3, The electric field of the light after passing through the analyzer or the polarizing beam splitter that detects the light in the polarization direction of (4) is KiR (Ai) PR (-Ai) BSEin (i = 1,2,3,4) (1)
5) can be expressed as Here, Ki is a transmission coefficient of each optical path.

【0034】また、R(Ai)は回転行列、Pは検光子また
は偏光ビームスプリッタを表す行列、Bはビームスプリ
ッタまたはP偏光,S偏光間に位相差を与える光学素子
またはそれらを組合せたものを表現する行列、Sは測定
対象の偏光に対する影響を示す行列である。そして、こ
れらの各行列はそれぞれ下式のように定義される。
R (Ai) is a rotation matrix, P is a matrix representing an analyzer or a polarizing beam splitter, and B is a beam splitter or an optical element for providing a phase difference between P-polarized light and S-polarized light or a combination thereof. The matrix to be expressed, S, is a matrix indicating the effect on the polarization of the measurement target. Each of these matrices is defined as shown below.

【0035】[0035]

【数7】 したがって、受光器で検出される光強度Ii (Equation 7) Therefore, the light intensity I i detected by the light receiver is

【0036】[0036]

【数8】 となる。但し、Gi は電気系のゲインであり、Kiaは Kia=Ki Kp KbiRs(Equation 8) Becomes Here, Gi is the gain of the electric system, and Kia is Kia = Ki Kp KbiRs

【0037】である。なお、式の導出過程で、前述した
(16)式の回転行列によってベクトルの大きさは不変であ
ることを用いている。但し、上記Ii は、基本的に「受
光器で検出される光強度に比例した受光器出力」とでも
言うべきものである。しかし、この明細書においては便
宜的に「受光器で検出される光強度」と統一的に記載す
る。ここで、適当な手法によって上記ゲインGi を決め
ると、(20)式に示す光強度Ii は次の(21)式になる。 Ii =I0 [ tan2 ψ・ COS2 Ai+(σi χ)2 sin2 Ai +2σi ・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 −φi )・ cosAi・sinAi ] =I0 [ tan2 ψ・ COS2 Ai+(σi χ)2 sin2 Ai
Is as follows. In the process of deriving the equation,
The fact that the magnitude of the vector is invariable by the rotation matrix of equation (16) is used. However, the above I i can be basically referred to as “light receiver output proportional to the light intensity detected by the light receiver”. However, in this specification, the term "light intensity detected by the light receiver" is used for convenience. Here, when determining the gain Gi by a suitable technique, the light intensity I i shown in equation (20) becomes the following equation (21). I i = I 0 [tan 2 ψ ・ COS 2 Ai + (σi χ) 2 sin 2 Ai + 2σi · χ · tanψ · cos (Δ−φ 0 −φ i ) · cosAi · sinAi] = I 0 [tan 2 ψ ・ COS 2 Ai + (σi χ) 2 sin 2 Ai

【0038】 +2σi ・χ・ tanψ・ sin(Δ−φ0 )・ sinφi ・ COSAi・sinAi +2σi ・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 )・ cosφi ・ COSAi・sinAi (i=1,2,3,4) …(21)[0038] + 2σi · χ · tanψ · sin (Δ-φ 0) · sinφ i · COSAi · sinAi + 2σi · χ · tanψ · cos (Δ-φ 0) · cosφ i · COSAi · sinAi (i = 1,2, 3,4)… (21)

【0039】但し、I0 はゲインの調整方法や入射光強
度や測定対象の反射率等に依存する定数である。なお、
ゲインの調整法によっては、(21)式の各辺のI0 が各i
(i=1,2,3,4) によって異なる場合もあり得る。このよう
な場合には、各Ii (i=1,2,3,4) に補正係数を乗算した
ものをIi と定義し直せば、形式的にi(i=1,2,3,4) に
よらない定数I0 を用いて(21)式のように表せる。
Here, I 0 is a constant that depends on the method of adjusting the gain, the incident light intensity, the reflectance of the object to be measured, and the like. In addition,
Depending on the gain adjustment method, I 0 on each side of the equation (21)
(i = 1,2,3,4). In such a case, if each I i (i = 1, 2, 3, 4) multiplied by a correction coefficient is redefined as I i , then formally i (i = 1, 2, 3, 3) 4) It can be expressed as in equation (21) using a constant I 0 that does not depend on:

【0040】したがって、4個の各受光器で検出される
光強度をI1 ,I2 ,I3 ,I4 とし、(21)式に、i=1,
2,3,4 を順番に代入すると、4つの式が得られる。そし
て、各式を簡素化するために、ai ,bi ,ci ,di
を(22)式のように定義する。 ai = cos2 Ai bi =2σi ・χ・ sinφi ・ cosAi・ sinAi ci =2σi ・χ・ cosφi ・ cosAi・ sinAi di =−(σi ・χ)2 sin2 Ai (i=1,2,3,4 ) …(22) 従って、この前記4つの式は(23)式に示すように配列で
きる。
Accordingly, the light intensities detected by each of the four photodetectors are defined as I 1 , I 2 , I 3 , and I 4 .
Substituting 2,3,4 in order gives four equations. Then, in order to simplify each equation, a i , b i , c i , d i
Is defined as in equation (22). a i = cos 2 Ai b i = 2σi · χ · sinφ i · cosAi · sinAi c i = 2σi · χ · cosφ i · cosAi · sinAi d i = - (σi · χ) 2 sin 2 Ai (i = 1,2,3,4) (22) Accordingly, these four equations can be arranged as shown in equation (23).

【0041】[0041]

【数9】 (Equation 9)

【0042】したがって、エリプソパラメータψ,Δを
求めるためには、(23)式の連立方程式を tanψ, sin
(Δ−φ0 )および cos(Δ−φ0 )について解けばよ
い。(23)式を解いて、 tan2 ψ, tanψ・ sin(Δ−φ
0 ), tanψ・ cos(Δ−φ0)を求めると、次の(24)
式となる。 tan2 ψ=|A|/|D| tanψ・ sin(Δ−φ0 )=|B|/|D| tanψ・ cos(Δ−φ0 )=|C|/|D| …(24) さらに、この(24)式は次のように変形できる。 tanψ=(|A|/|D|)1/2 …(1) sin(Δ−φ0 )=[|B|/|D|]・[|D|/|A|]1/2 …(25) cos(Δ−φ0 )=[|C|/|D|]・[|D|/|A|]1/2 …(26) または、 tan(Δ−φ0 )=|B|/|D| …(2) として求めることが可能である。ここで、|A|,|B
|,|C|,|D|はそれぞれ(3) 式で定義される行列
A.B,C,Dの行列式である。
Therefore, in order to obtain the ellipsometric parameters ψ and Δ, the simultaneous equations of the equation (23) are calculated as tanψ, sin
It is sufficient to solve for (Δ−φ 0 ) and cos (Δ−φ 0 ). Solving equation (23), tan 2 ψ, tanψ · sin (Δ−φ
0 ) and tanψ · cos (Δ−φ 0 ), the following (24)
It becomes an expression. tan 2 ψ = | A | / | D | tanψ · sin (Δ−φ 0 ) = | B | / | D | tanψ · cos (Δ−φ 0 ) = | C | / | D | (24) Equation (24) can be transformed as follows. tanψ = (| A | / | D |) 1/2 ... (1) sin (Δ−φ 0 ) = [| B | / | D |] · [| D | / | A |] 1/2 … (25) cos (Δ−φ 0 ) = [| C | / | D |] · [| D | / | A |] 1/2 (26) or tan (Δ−φ 0 ) = | B | / | D | (2) Where | A |, | B
│, │C│, │D│ are the matrices A. This is the determinant of B, C, and D.

【0043】[0043]

【数10】 (Equation 10)

【0044】が線形従属となるために解が求められなく
なる。したがって、この場合は、P偏光,S偏光間の位
相差を変化させる機能を持つ例えば波長板等の光学素子
が必要である。次に、上述した計算手順で算出されるエ
リプソパラメータψ,Δのうちの位相差Δの所属象限の
判定手順を説明する。
Since is linearly dependent, no solution can be found. Therefore, in this case, an optical element such as a wavelength plate having a function of changing the phase difference between the P-polarized light and the S-polarized light is required. Next, a description will be given of a procedure for determining the belonging quadrant of the phase difference Δ among the ellipso parameters ψ and Δ calculated by the above-described calculation procedure.

【0045】前記(25)(26)式に示すように、sin(Δ−φ
0 ) とcos(Δ−φ0 ) とを求めることが可能である。し
たがって、(2) 式で算出された位相差Δが第1象限から
第4象限までのどの象限に所属するかが自動的に判断で
きる。すなわち、(|B|/|D|)と(|C|/|D
|)との間の正負関係に従って下記のように判断するこ
とが可能である。 (1) |B|/|D|>0,|C|/|D|>0の場
合、 第1象限( 0°<Δ−φ0 < 90°) (2) |B|/|D|>0,|C|/|D|<0の場
合、 第2象限( 90°<Δ−φ0 <180°) (3) |B|/|D|<0,|C|/|D|<0の場
合、 第3象限(180°<Δ−φ0 <270°) (4) |B|/|D|<0,|C|/|D|>0の場
合、 第4象限(270°<Δ−φ0 <360°)
As shown in the above equations (25) and (26), sin (Δ−φ
0 ) and cos (Δ−φ 0 ). Therefore, it can be automatically determined to which quadrant from the first quadrant to the fourth quadrant the phase difference Δ calculated by the equation (2) belongs. That is, (| B | / | D |) and (| C | / | D
Can be determined as follows according to the positive / negative relationship between | (1) | B | / | D |> 0, | C | / | D |> 0, the first quadrant (0 ° <Δ-φ 0 <90 °) (2) | B | / | D | > 0, | C | / | D | < 0, the second quadrant (90 ° <Δ-φ 0 <180 °) (3) | B | / | D | <0, | C | / | D | If <0, the third quadrant (180 ° <Δ−φ 0 <270 °) (4) If | B | / | D | <0, | C | / | D |> 0, the fourth quadrant (270 ° <Δ−φ 0 <360 °)

【0046】したがって、算出された位相差Δが第1象
限から第4象限までのどの象限に所属するのかも同時に
判断できる。その結果、得られた位相差Δの真の値がΔ
であるのか、または(360°−Δ),(90°−
Δ),…であるのかが正確に判断できる。
Therefore, it is possible to simultaneously determine which quadrant from the first quadrant to the fourth quadrant the calculated phase difference Δ belongs to. As a result, the true value of the obtained phase difference Δ is Δ
Or (360 ° −Δ), (90 ° −
Δ),... Can be accurately determined.

【0047】なお、測定対象の反射光が5つ以上の偏光
成分に分離されていた場合には、(23)式において受光器
で検出される光強度Ii が5つ以上となる(i=1,2.3.4.
5.…) 。この場合、この(23)式を最小2乗法等の統計的
手法を用いて解を推定することが可能である。さらに、
前記(23)式が(28)式のように表現できれば、
[0047] In the case where the reflected light to be measured has been separated into five or more polarization components, the light intensity I i detected by the photodetector is 5 or more in (23) (i = 1,2.3.4.
Five.…) . In this case, it is possible to estimate the solution of the equation (23) by using a statistical method such as the least square method. further,
If the above equation (23) can be expressed as equation (28),

【0048】[0048]

【数11】 各受光器の出力信号の光強度I1 〜I4 を用いて、各エ
リプソパラメータΔ,ψが下記(6)(7)式を用いて算出さ
れる。 tan(Δ−φ0 )=σT(I1 −I2 )/σR(I3 −I4 ) …(6) tanψ=[{χ2 (σT2 (I1 +I2 )−σR2 (I3 +I4 ))} ÷{(I1 +I2 )−(I3 +I4 )}]1/2 …(7)
[Equation 11] Using the light intensities I 1 to I 4 of the output signals of the respective light receivers, the respective ellipsometric parameters Δ and ψ are calculated using the following equations (6) and (7). tan (Δ−φ 0 ) = σT (I 1 −I 2 ) / σR (I 3 −I 4 ) (6) tanψ = [{χ 2 (ΣT 2 (I 1 + I 2 ) −σR 2 (I 3 + I 4)) } ÷ {(I 1 + I 2) - (I 3 + I 4)}] 1/2 … (7)

【0049】また、上述した各計算式によると、(18)式
において、位相差をP偏光とS偏光との間に与えたが、
別の手法で与えてもよい。例えば位相差δを与える例え
ば波長板等の光学素子をある角度θi だけ回転させて光
路に挿入してもよい。この場合、その光学素子を(29)式
に示す行列で表現すれば、
According to the above-mentioned equations, the phase difference is given between the P-polarized light and the S-polarized light in the equation (18).
You may give by another method. For example, an optical element that gives a phase difference δ, such as a wave plate, may be rotated by a certain angle θi and inserted into the optical path. In this case, if the optical element is represented by a matrix shown in Expression (29),

【0050】[0050]

【数12】 (Equation 12)

【0051】計算式上においては、R(θi )ΛR(−
θi )を挿入することになる。したがって、このような
光学素子を挿入した光学系における受光器上での電場
は、上述した(15)式の代りに、(30)式となる。 Ki R(Ai)PR(-Ai) XSEin (i=1,2,3,4) …(30)
In the calculation formula, R (θi) ΛR (−
θi). Therefore, the electric field on the light receiver in the optical system in which such an optical element is inserted is expressed by the following equation (30) instead of the above-described equation (15). Ki R (Ai) PR (-Ai) XSEin (i = 1,2,3,4)… (30)

【0052】但し、Xはビームスプリッや位相差を与え
る光学素子を任意に配置した光学系全体としての働きを
表現する行列であり、前述したR(θi )ΛR(−θi
)やBを光学系に従って、順次配列したものである。
よって、受光器にて得られる出力信号の信号強度は(31)
式となる。 Ii =Gi |Ki R(Ai)PR(-Ai) XSEin|2 =Gi |Ki |2 |PR(-Ai) XSEin|2 (i=1,2,3,4) …(31) ここで、PR(-Ai) Xは一般に(32)式で示すことが可能
である。
Here, X is a matrix expressing the function of the entire optical system in which optical elements for giving a beam split or a phase difference are arbitrarily arranged, and R (θi) ΛR (−θi described above).
) And B are sequentially arranged according to the optical system.
Therefore, the signal strength of the output signal obtained by the light receiver is (31)
It becomes an expression. I i = Gi | Ki R (Ai) PR (-Ai) XSEin | 2 = Gi | Ki | 2 | PR (-Ai) XSEin | 2 (i = 1,2,3,4) (31) Here, PR (−Ai) X can be generally expressed by equation (32).

【0053】[0053]

【数13】 例えば、既に算出したP偏光とS偏光との間に位相差を
与える場合には、
(Equation 13) For example, when giving a phase difference between the already calculated P-polarized light and S-polarized light,

【0054】[0054]

【数14】 すなわち、 α1i=cosAi α2i=σi ・sinAi β1i=0 β2i=φi (i= 1,2,3,4) …(5) であった。したがって、(32)式を(31)式に代入すると、
(34)式が得られる。
[Equation 14] That is, α 1i = cosAi α 2i = σi · sinAi β 1i = 0 β 2i = φ i (i = 1, 2, 3, 4) (5). Therefore, when substituting equation (32) into equation (31),
Equation (34) is obtained.

【0055】[0055]

【数15】 =Gi |Kia・Ep |2 [ tan2 ψ・α1i 2 +χ2 α2i 2 +2・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 +β1i−β2i)・α1i・α2i] =Gi |Kia・Ep |2 [ tan2 ψ・α1i 2 +χ2 α2i 2 +2・χ・ tanψ・ sin(Δ−φ0 )・ sin(β2i−β1i)・α1i・α2i +2・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 )・ cos(β2i−β1i)・α1i・α2i] (i=1,2,3,4) …(34) ここで、適当な手法によって上記ゲインGi (i=1,2,3,
4)を決めると、(34)式に示す信号強度Ii は(35)式とな
る。 Ii =I0 [ tan2 ψ・α1i 2 +χ2 α2i +2・χ・ tanψ・ sin(Δ−φ 0 )・ sin(β2i−β1i)・α1i・α
2i +2・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 )・ cos(β2i−β1i)・α1i・α2i] (i=1,2,3,4) …(35)
(Equation 15) = Gi | Kia ・ Ep |Two [TanTwo ψ ・ α1i Two + ΧTwo α2i Two  +2 ・ χ ・ tanψ ・ cos (Δ−φ0+ Β1i−β2i) ・ Α1i・ Α2i] = Gi | Kia · Ep |Two [TanTwo ψ ・ α1i Two + ΧTwo α2i Two  +2 ・ χ ・ tanψ ・ sin (Δ−φ0) ・ Sin (β2i−β1i) ・ Α1i・ Α2i +2 ・ χ ・ tanψ ・ cos (Δ−φ0) ・ Cos (β2i−β1i) ・ Α1i・ Α2i(I = 1,2,3,4) (34) Here, the gain Gi (i = 1,2,3,
(4), the signal strength Ii shown in the equation (34) becomes the equation (35).
You. Ii= I0[TanTwo ψ ・ α1i Two + ΧTwo α2i 2 + 2 · χ · tan · sin (Δ−φ 0 ) ・ Sin (β2i−β1i) ・ Α1i・ Α
2i +2 ・ χ ・ tanψ ・ cos (Δ−φ0) ・ Cos (β2i−β1i) ・ Α1i・ Α2i] (I = 1,2,3,4)… (35)

【0056】ここで、α1 ,α2 ,β1 ,β2 を(4) 式
を用いて置き換えると、(35)式におけるi=1,2,3.4 にそ
れぞれ対応する4つの式は前述した(23)式のように示す
ことが可能である。 ai =α1i 2 i =2・χ・sin(β2i−β1i) ・α1i・α2ii =2・χ・cos(β2i−β1i) ・α1i・α2ii =−χ2 ・α2i 2 (i= 1,2,3,4) …(4)
Here, when α 1 , α 2 , β 1 , and β 2 are replaced by using equation (4), the four equations respectively corresponding to i = 1 , 2, and 3.4 in equation (35) are described above. It can be shown as in equation (23). a i = α 1i 2 b i = 2 · χ · sin (β 2i −β 1i ) · α 1i · α 2ic i = 2 · χ · cos (β 2i −β 1i ) · α 1i · α 2id i = −χ 2 ・ Α 2i 2 (I = 1,2,3,4)… (4)

【0057】[0057]

【数16】 この(23)式から、前述したように、各エリプソパラメー
タφ,Δが(1)(2)式で得られる。 tanψ=(|A|/|D|)1/2 …(1) tan(Δ−φ0 )=|B|/|C| …(2)
(Equation 16) From the equation (23), as described above, the ellipsometric parameters φ and Δ are obtained by the equations (1) and (2). tanψ = (| A | / | D |) 1/2 … (1) tan (Δ−φ 0 ) = | B | / | C | (2)

【0058】このように、同時刻で測定された各光強度
I1 ,I2 ,I3 ,I4 からエリプソパラメータΔ,
ψが所属象限を含めて計算されるために、移動状態の測
定対象であっても測定が可能である。また、膜厚の面内
分布等の非常に多点を測定する場合においても大幅に測
定時間が短縮できる。
As described above, the ellipsometric parameters Δ and Δ are calculated from the light intensities I 1, I 2, I 3 and I 4 measured at the same time.
Since ψ is calculated including the belonging quadrant, it is possible to measure even a moving object to be measured. Further, the measurement time can be greatly reduced even when measuring very many points such as the in-plane distribution of the film thickness.

【0059】[0059]

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を用いて説明す
る。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0060】図2は実施例のエリプソパラメータ測定方
法を採用したエリプソメータ全体を示すブロック図であ
る。図中1は軽金属材料で形成されたケースに収納され
たエリプソメータ本体である。エリプソメータ本体1か
ら出力された各光強度I1 ,I2 ,I3 ,I4 はA/D
コンバータ2でデジタル値に変換された後、演算部とし
てのパーソナルコンピュータ3へ入力される。このパー
ソナルコンピュータ3は、入力された各光強度I1 ,I
2 ,I3 ,I4 を用いて位相差Δと振幅比 tanψとで決
定されるエリプソパラメータΔ,ψをΔの所属象限も含
めて算出する。さらに、この算出されたエリプソパラメ
ータψ,Δを用いて測定対象としての試料面4の膜厚d
を所定の演算式を用いて算出する。
FIG. 2 is a block diagram showing the entire ellipsometer employing the ellipsometric parameter measuring method of the embodiment. In the figure, reference numeral 1 denotes an ellipsometer main body housed in a case formed of a light metal material. The light intensities I 1 , I 2 , I 3 , and I 4 output from the ellipsometer main unit 1 are A / D
After being converted into a digital value by the converter 2, the digital value is input to a personal computer 3 as an arithmetic unit. The personal computer 3 receives the input light intensities I 1 , I 1
2 , I 3 and I 4 are used to calculate the ellipsometric parameters Δ and 決定 determined by the phase difference Δ and the amplitude ratio tan 含 め, including the belonging quadrant of Δ. Further, using the calculated ellipsometric parameters と し て and Δ, the film thickness d of the sample surface 4 to be measured is determined.
Is calculated using a predetermined arithmetic expression.

【0061】ここで、A/Dコンバータ2は各光強度I
1 ,I2 ,I3 ,I4 を時分割して順番にA/D変換し
ていく。なお、1個の光強度の変換時間は約10μsec
である。したがって、パーソナルコンピュータ3におけ
る計算時間も含めて、試料面4上のサンプリングされた
1つ測定点のエリプソパラメータψ,Δおよび膜厚dの
測定時間は約100μsec である。なお、各光強度
1 ,I2 ,I3 ,I4 は同時に測定されて電圧保持回
路で保持されるので、たとえ試料面4が高速で移動した
としても十分対処できる。
Here, the A / D converter 2 determines each light intensity I
1 , I 2 , I 3 , and I 4 are time-divided and A / D converted sequentially. The conversion time for one light intensity is about 10 μsec.
It is. Therefore, including the calculation time in the personal computer 3, the measurement time of the ellipsometric parameters ψ and Δ and the film thickness d at one sampled measurement point on the sample surface 4 is about 100 μsec. Since the light intensities I 1 , I 2 , I 3 , and I 4 are measured at the same time and held by the voltage holding circuit, even if the sample surface 4 moves at a high speed, it is possible to cope with it.

【0062】図1は、前記エリプソメータ本体1の内部
構成図である。例えば半導体レーザのレーザ光源5から
出力された単一波長を有するレーザ光線は偏光子6で基
準方向に対して+45°の直線偏光に変換される。した
がって、レーザ光源5および偏光子6は光源部7を構成
する。直線偏光に変換された入射光8は光源部7から試
料面4へ角度φで入射される。なお、前記基準方向は、
試料面4側から見て図中矢印A方向で示すように、入射
光8の入射面に対して平行な方向を方位0°とする方向
である。ここで、入射面とは入射光8および反射光9を
含む試料面4に垂直な平面である。
FIG. 1 is an internal configuration diagram of the ellipsometer main body 1. For example, a laser beam having a single wavelength output from a laser light source 5 of a semiconductor laser is converted by a polarizer 6 into linearly polarized light of + 45 ° with respect to a reference direction. Therefore, the laser light source 5 and the polarizer 6 constitute a light source unit 7. The incident light 8 converted into linearly polarized light is incident on the sample surface 4 from the light source unit 7 at an angle φ. The reference direction is
As viewed from the sample surface 4 side, as shown by the arrow A direction in the figure, the direction parallel to the incident surface of the incident light 8 is a direction in which the azimuth is 0 °. Here, the incident surface is a plane perpendicular to the sample surface 4 including the incident light 8 and the reflected light 9.

【0063】そして、試料面4で反射された反射光9は
試料面4の膜の存在によって、直線偏光から図3に示し
た楕円偏光になり、無偏光ビームスプリッタ10へ入射
される。
Then, the reflected light 9 reflected on the sample surface 4 changes from linearly polarized light to elliptically polarized light shown in FIG. 3 due to the presence of the film on the sample surface 4, and enters the non-polarized beam splitter 10.

【0064】無偏光ビームスプリッタ10は例えば無偏
光ガラス板で構成されている。そして、入射された反射
光9はP偏光とS偏光との間の位相差を保持したまま二
つの光11a,11bに分岐される。反射された反射光
11aは1/4波長板12aを介して第1の偏光ビーム
スプリッタ13へ入射する。また、透過した透過光11
bは直接第2の偏光ビームスプリッタ14へ入射する。
The non-polarizing beam splitter 10 is made of, for example, a non-polarizing glass plate. Then, the incident reflected light 9 is split into two lights 11a and 11b while maintaining the phase difference between the P-polarized light and the S-polarized light. The reflected light 11a is incident on the first polarization beam splitter 13 via the quarter-wave plate 12a. The transmitted light 11
b directly enters the second polarizing beam splitter 14.

【0065】第1,第2の偏光ビームスプリッタ13,
14は同一構成を有しており、例えばグラントムソンプ
リズム,グランテーラープリズム等で構成され、入射し
た楕円偏光を有する光を互いに直交する2方向の偏光成
分に分離してそれそれ透過光および反射光として出力す
る。なお、透過光がある角度で2成分に分かれるウォラ
ストンプリズム等であってもよい。
The first and second polarization beam splitters 13,
Numeral 14 has the same configuration, and is composed of, for example, a Glan-Thompson prism, a Glan-Taylor prism, etc., which separates incident elliptically polarized light into two orthogonal polarization components and transmits and reflects the reflected light. Output as It should be noted that a Wollaston prism or the like that separates transmitted light into two components at an angle may be used.

【0066】そして、第1の偏光ビームスプリッタ13
は、この第1の偏光ビームスプリッタ13の透過光13
aの偏光方向が入射面に平行な方向を方位0°とした前
述した基準方向に対して受光器15a側から見て反時計
回りに+45°になるように位置決めされている。そし
て、第1の偏光ビームスプリッタ13から出力された偏
光方向が+45°の透過光13aは受光器15aへ入射
される。受光器15aは受光した偏光成分の光強度I1
に対応する信号を出力する。また、第1の偏光ビームス
プリッタ13から出力された偏光方向が必然的に−45
°となる反射光13bは受光器15bへ入射され、光強
度I2 に変換される。
Then, the first polarization beam splitter 13
Is the transmitted light 13 of the first polarizing beam splitter 13.
Positioning is such that the polarization direction of a is + 45 ° counterclockwise when viewed from the light receiver 15a side with respect to the above-described reference direction in which the direction parallel to the plane of incidence is 0 °. Then, the transmitted light 13a having the polarization direction of + 45 ° output from the first polarization beam splitter 13 is incident on the light receiver 15a. The light receiver 15a receives the light intensity I 1 of the received polarized light component.
And outputs a signal corresponding to. Also, the polarization direction output from the first polarization beam splitter 13 is necessarily -45.
° become reflected light 13b is incident on the light receiving device 15b, it is converted into the light intensity I 2.

【0067】さらに、第2の偏光ビームスプリッタ14
は、この第2の偏光ビームスプリッタ14の透過光14
aの偏光方向が前記基準方向に対して+45°になるよ
うに位置決めされている。そして、第2の偏光ビームス
プリッタ14から出力された偏光方向が+45°の透過
光14aは受光器15cへ入射され、光強度I3 に変換
される。また、第2の偏光ビームスプリッタ14から出
力される偏光方向が−45°となる反射光14bは受光
器15dへ入射され、光強度I4 に変換される。
Further, the second polarization beam splitter 14
Is transmitted light 14 of the second polarization beam splitter 14.
Positioning is performed such that the polarization direction of a is + 45 ° with respect to the reference direction. The second transmitted light 14a of the polarization direction output from the polarization beam splitter 14 + 45 ° is incident on the light receiver 15c, and is converted into the light intensity I 3. Further, the reflected light 14b the polarization direction output from the second polarization beam splitter 14 is -45 ° is incident on the light receiver 15d, is converted into the light intensity I 4.

【0068】第1の偏光ビームスプリッタ13へ入射さ
れる反射光11aの光路に1/4波長板12aが介挿さ
れているので、第1の偏光ビームスプリッタ13へ入射
される楕円偏光された反射光11aのP偏光,S偏光の
位相差が90°だけ変化する。よって、各受光器15a
〜15dへ入射する偏光成分の値が異なる。すなわち、
各受光器15a〜15dから得られる反射光9の楕円偏
光における各偏光成分は、いわば、 cosΔと sinΔとの
両方の情報を含んでいるものとなる。
Since the quarter-wave plate 12 a is interposed in the optical path of the reflected light 11 a incident on the first polarization beam splitter 13, the elliptically polarized reflection incident on the first polarization beam splitter 13 is obtained. The phase difference between the P-polarized light and the S-polarized light of the light 11a changes by 90 °. Therefore, each light receiver 15a
The values of the polarized light components incident on .about.15d are different. That is,
Each polarization component of the elliptically polarized light of the reflected light 9 obtained from each of the light receivers 15a to 15d contains, as it were, information on both cosΔ and sinΔ.

【0069】そして、前述したようにこれら4つの光強
度I1 〜I4 を用いて図3の楕円偏光を特定するエリプ
ソパラメータψ,Δが前述した(1)(2)式を用いて算出さ
れる。この実施例における各光強度I1 ,I2 ,I3
4 と各エリプソメータΔ,ψとの関係は前述した(28)
から得られる。
Then, as described above, using these four light intensities I 1 to I 4 , the ellipsometric parameters ψ and Δ for specifying the elliptically polarized light in FIG. 3 are calculated using the above-described equations (1) and (2). You. In this embodiment, each light intensity I 1 , I 2 , I 3 ,
The relationship between I 4 and each of the ellipsometers Δ and ψ is described above (28)
Obtained from

【0070】[0070]

【数17】 [Equation 17]

【0071】ここで、P偏光を光学系に入射した時に、
各受光器からの出力が等しくなるように電気系の各ゲイ
ンGi ( i=1,2,3,4) を調整する。なお、このゲイン調
整処理は、一般に、各受光器の出力信号を増幅する増幅
器の実際のゲインを調整することによって実施される。
しかし、例えば、各受光器から演算部に取込んだ光強度
のデータ値をデータ処理過程において、前記ゲイン調整
処理をプログラム処理手段によって実施してもよい。し
たがって、(28)式より、各エリプソバラメータΔ,ψは
(6)(7)を用いて算出できる。 tan(Δ−φ0 )=σT(I1 −I2 )/σR(I3 −I4 ) …(6) tanψ=[{χ2 (σT2 (I1 +I2 )−σR2 (I3 +I4 ))} ÷{(I1 +I2 )−(I3 +I4 )}]1/2 …(7) 但し、σR,σTは無偏光ビームスプリッタ10のP偏
光.S偏光の振幅反射率比および振幅透過率比であり、
(36)式で与えられる固有値である。 振幅反射率比σR=rs /rP 振幅透過率比σT=(1−rs 2 )/(1−rP 2 ) …(3
6)
Here, when P-polarized light enters the optical system,
The gains Gi (i = 1, 2, 3, 4) of the electric system are adjusted so that the outputs from the light receivers become equal. The gain adjustment process is generally performed by adjusting the actual gain of an amplifier that amplifies the output signal of each light receiver.
However, for example, in a data processing step of the data value of the light intensity taken into the arithmetic unit from each light receiver, the gain adjustment processing may be performed by the program processing means. Therefore, from equation (28), each ellipsometric parameter Δ, ψ is
(6) It can be calculated using (7). tan (Δ−φ 0 ) = σT (I 1 −I 2 ) / σR (I 3 −I 4 ) (6) tanψ = [{χ 2 (ΣT 2 (I 1 + I 2 ) −σR 2 (I 3 + I 4)) } ÷ {(I 1 + I 2) - (I 3 + I 4)}] 1/2 (7) where σR and σT are P-polarized light of the non-polarizing beam splitter 10. The amplitude reflectance ratio and the amplitude transmittance ratio of S-polarized light;
This is the eigenvalue given by equation (36). Amplitude reflectance ratio σR = r s / r P amplitude transmittance ratio σT = (1-r s 2 ) / (1-r P 2 …… (3
6)

【0072】但し、r,rs は、それぞれP偏光,
S偏光に対するフレネル反射係数であり、これらは前記
無偏光ビームスプリッタ10の屈折率と入射角によって
定まる。空気の屈折率をN0 、無偏光ビームスプリッタ
10の屈折率をn1 ,さらに無偏光ビームスプリッタ1
0への入射角および屈折角をそれぞれθ0 ,θ1 とすれ
ば、rP ,rs は(37)(38)式で与えられる。 rP =(n1 cosθ0 −N0 cos θ1 )/(n1 cosθ0 +N0 cosθ1 ) …(37) rs =(N0 cosθ0 −n1 cosθ1 )/(N0 cosθ0 +n1 cosθ1 ) …(38) また、位相差φ0 および振幅比χは前記測定対象に対す
る入射光の偏光状態で定まるパラメータである。そし
て、一般的には、計算を容易にするために、 位相差φ0 =0° 振幅比χ=1 に設定している。
Here, r P and r s are P-polarized light,
These are Fresnel reflection coefficients for S-polarized light, which are determined by the refractive index and the incident angle of the non-polarizing beam splitter 10. The refractive index of air is N 0 , the refractive index of the non-polarizing beam splitter 10 is n 1 , and the non-polarizing beam splitter 1
Assuming that the angle of incidence to 0 and the angle of refraction are θ 0 and θ 1 , r P and r s are given by equations (37) and (38). r P = (n 1 cos θ 0 −N 0 cos θ 1 ) / (n 1 cos θ 0 + N 0 cos θ 1 ) (37) r s = (N 0 cos θ 0 −n 1 cos θ 1 ) / (N 0 cos θ 0) + N 1 cos θ 1 ) (38) The phase difference φ 0 and the amplitude ratio χ are parameters determined by the polarization state of the incident light with respect to the measurement object. In general, the phase difference φ 0 = 0 ° and the amplitude ratio χ = 1 are set to facilitate the calculation.

【0073】そして、これらの各定数は既知の直線偏光
または楕円偏光を有する試験光をこの無偏光ビームスプ
リッタ10へ入射して、真のエリプソパラメータψ,Δ
からのずれ量から逆算して予め求めておく。
Each of these constants is such that test light having a known linearly polarized light or elliptically polarized light is incident on the non-polarizing beam splitter 10 and the true ellipsometric parameters ψ, Δ
Is calculated in advance from the amount of deviation from.

【0074】また、位相差Δの計算の際には、前述した
ように、σT(I1 −I2 )=A,σR(I3 −I4
=Bの正負の条件に従って、所属象限(ゾーン)を判別
する。
When calculating the phase difference Δ, as described above, σT (I 1 −I 2 ) = A, σR (I 3 −I 4 )
The belonging quadrant (zone) is determined according to the positive / negative condition of = B.

【0075】 (1) A>0,B>0の場合、 第1象限( 0°<
Δ−φ0 < 90°) (2) A>0,B<0の場合、 第2象限( 90°<
Δ−φ0 <180°) (3) A<0,B<0の場合、 第3象限(180°<
Δ−φ0 <270°) (4) A<0,B>0の場合、 第4象限(270°<
Δ−φ0 <360°) したがって、算出された位相差Δが第1象限から第4象
限までのどの象限に所属するのかも同時に判断できる。
その結果、得られた位相差Δの真の値がΔであるのか、
または(360°−Δ),(90°−Δ),…であるの
かが正確に判断できる。
(1) When A> 0 and B> 0, the first quadrant (0 ° <
Δ−φ 0 <90 °) (2) If A> 0, B <0, the second quadrant (90 ° <
Δ−φ 0 <180 °) (3) If A <0, B <0, the third quadrant (180 ° <
Δ−φ 0 <270 °) (4) In the case of A <0, B> 0, the fourth quadrant (270 ° <
(Δ−φ 0 <360 °) Therefore, it is possible to simultaneously determine which quadrant from the first quadrant to the fourth quadrant the calculated phase difference Δ belongs to.
As a result, whether the true value of the obtained phase difference Δ is Δ,
Or (360 ° −Δ), (90 ° −Δ),...

【0076】振幅比 tanψと位相差Δとで決定されるエ
リプソパラメータΔ,ψがΔの所属象限も含めて求まる
と、別途計算式を用いて試料面4における膜厚dを算出
する。
When the ellipsometric parameters Δ and さ れ る determined by the amplitude ratio tan ψ and the phase difference 含 め are obtained including the belonging quadrant of Δ, the film thickness d on the sample surface 4 is calculated using a separate formula.

【0077】このように構成されたエリプソメータであ
れば、各受光器15a,15b,15c,15dにて同
時刻で検出された4つの各光強度I1 ,I2 ,I3 ,I
4 からパーソナルコンピュータ3において(1)(2)式を用
いてほぼ瞬時に所属象限を含むエリプソパラメータψ,
Δが算出されるので、それに続いて試料面4における膜
厚dもほぼ瞬時に算出される。
In the ellipsometer configured as described above, the four light intensities I 1 , I 2 , I 3 , I 3 detected at the same time by the respective photodetectors 15a, 15b, 15c, 15d.
From 4 on , the personal computer 3 uses the equations (1) and (2) to almost instantaneously use the ellipsometric parameters 所属,
Since Δ is calculated, subsequently, the film thickness d on the sample surface 4 is calculated almost instantaneously.

【0078】したがって、測定対象がたとえ高速で移動
していたとしても、指定された測定点における膜厚dが
測定可能となる。したがって、光源部7から入射光8を
出力させた状態で、測定対象を一定速度で移動させなが
ら、一定周期でもって各光強度I1 〜I4 を読取ってエ
リプソパラメータψ,Δの算出と膜厚dを算出していけ
ば、例えば工場の検査ラインにおいて連続して移動して
いく帯状製品の表面の膜厚dを連続してオンライン状態
で測定できる。
Therefore, even if the object to be measured is moving at a high speed, the film thickness d at the designated measurement point can be measured. Accordingly, while the incident light 8 is output from the light source unit 7, the light intensity I 1 to I 4 is read at a constant period while the measurement object is moved at a constant speed, and the ellipsometric parameters ψ and Δ are calculated and the film thickness is calculated. By calculating the thickness d, for example, the thickness d of the surface of the strip-shaped product continuously moving on the inspection line of the factory can be continuously measured online.

【0079】また、図1に示すように、試料面4の楕円
偏光された反射光を異なる4つの偏光成分に分離して各
偏光成分の光強度I1 〜I4 を同一タイミングで読取っ
ているので、従来のエリプソメータのように、異なる条
件の偏光成分を得るために、回転検光子や1/4波長板
の挿脱機構を設ける必要がない。よって、全部の光学部
品を固定部材のみで構成でき、可動部材を使用しないの
で、装置全体を小型軽量に構成できる。したがって、工
場の製造現場等の狭い場所にも据付けることが可能とな
り、適用範囲を広げることができる。図4は実施例のエ
リプソメータをシリコンウェーハーの酸化膜厚の分布測
定装置に組込んだ状態を示す図である。
Further, as shown in FIG. 1, the elliptically polarized reflected light on the sample surface 4 is separated into four different polarization components, and the light intensities I 1 to I 4 of the respective polarization components are read at the same timing. Therefore, unlike a conventional ellipsometer, there is no need to provide a rotating analyzer or a quarter-wave plate insertion / removal mechanism to obtain polarized components under different conditions. Therefore, all the optical components can be configured only with the fixed member, and the movable device is not used, so that the entire apparatus can be configured to be small and lightweight. Therefore, it can be installed in a narrow place such as a manufacturing site of a factory, and the applicable range can be expanded. FIG. 4 is a view showing a state in which the ellipsometer of the embodiment is incorporated in an apparatus for measuring the distribution of oxide film thickness of a silicon wafer.

【0080】ベース21上に移動テーブル22が設けら
れ、この移動テーブル22上に回転支持台23が取付け
られている。そして、この回転支持台23上に測定対象
としてのシリコンウェーハー25が例えば吸着機構によ
って取付けられる。したがって、シリコンウェーハー2
5は回転しながら矢印方向に直線移動する。ベース21
上にはシリコンウェーハー25全体の厚みを測定する既
存の厚み測定装置26が配設され、また、この厚み測定
装置26の対向位置にエリプソメータ本体27が支持部
材28にて固定されている。
A moving table 22 is provided on a base 21, and a rotating support 23 is mounted on the moving table 22. Then, a silicon wafer 25 to be measured is mounted on the rotary support 23 by, for example, a suction mechanism. Therefore, silicon wafer 2
5 moves linearly in the direction of the arrow while rotating. Base 21
An existing thickness measuring device 26 for measuring the thickness of the entire silicon wafer 25 is provided thereon, and an ellipsometer main body 27 is fixed by a support member 28 at a position facing the thickness measuring device 26.

【0081】そして、厚み測定装置26およびエリプソ
メータ本体27は移動テーブル22および回転支持台2
3にて螺旋状に移動しているシリコンウェーハー25の
各測定位置における全体の厚みと酸化膜の厚みdを測定
する。また、移動テーブル22の位置とシリコンウェー
ハー25の回転角度は装置内に組込まれたコンピュータ
によって制御されている。したがって、測定位置と測定
結果とは1対1で対応しており、例えばCRT表示装置
の表示画面上で視覚的に即座に把握できる。
The thickness measuring device 26 and the ellipsometer main body 27 are
At 3, the entire thickness and the thickness d of the oxide film at each measurement position of the silicon wafer 25 spirally moving are measured. Further, the position of the moving table 22 and the rotation angle of the silicon wafer 25 are controlled by a computer incorporated in the apparatus. Therefore, the measurement position and the measurement result are in one-to-one correspondence, and can be instantly grasped visually on a display screen of a CRT display device, for example.

【0082】実施例装置の効果を確認するために、図4
の実施例装置と回転検光子を用いた従来装置との比較を
行った。入射光として直線偏光を測定対象へ62°の入
射角度で入射する光学系を用いた。また、測定対象とし
て屈折率1.65で膜厚d=800nmの窒化膜が上面に
形成されたシリコンウェーハー25を用いている。
In order to confirm the effect of the embodiment, FIG.
Was compared with the conventional apparatus using the rotary analyzer. An optical system was used in which linearly polarized light was incident on the measurement object at an incident angle of 62 ° as incident light. Further, a silicon wafer 25 having a nitride film having a refractive index of 1.65 and a film thickness d = 800 nm formed on the upper surface is used as a measurement target.

【0083】この場合、膜厚dが800nmであるので、
窒化膜が形成されている部分におけるエリプソパラメー
タの位相差Δは理論上94.1°となり、窒化膜が形成
されていない部分は当然位相差Δは0°である。
In this case, since the film thickness d is 800 nm,
The phase difference Δ of the ellipsometric parameter in the portion where the nitride film is formed is 94.1 ° in theory, and the phase difference Δ in the portion where the nitride film is not formed is 0 ° naturally.

【0084】よって、回転検光子を用いた従来装置で測
定する場合、窒化膜が形成されている部分に対しては入
射光を円偏光とし、窒化膜が形成されていない部分に対
しては入射光を直線偏光にする必要がある。したがっ
て、このような条件のシリコンウェーハー25を測定す
る場合には、窒化膜が形成された部分に対しては例えば
1/4波長板を挿入し、窒化膜が形成されていない部分
に対しては1/4波長板を取り外して測定する必要があ
る。よって、シリコンウェーハー25上のどの点を測定
する場合においても、1/4波長板を挿入した状態と1
/4波長板を抜き取った状態との2回の測定を実施しな
ければならない。実験に採用した直径6インチのシリコ
ンウェーハー25全面を2mm間隔で約5000点測定す
るのに約5時間要した。したがって、実際問題としてこ
の従来装置を実際のシリコンウェーハーの製造検査ライ
ンで使用することは不可能である。
Therefore, when the measurement is performed by a conventional apparatus using a rotary analyzer, the incident light is circularly polarized at the portion where the nitride film is formed, and is incident at the portion where the nitride film is not formed. The light needs to be linearly polarized. Therefore, when measuring the silicon wafer 25 under such conditions, for example, a 波長 wavelength plate is inserted into the portion where the nitride film is formed, and the portion where the nitride film is not formed is inserted into the portion where the nitride film is not formed. It is necessary to remove the quarter-wave plate for measurement. Therefore, when any point on the silicon wafer 25 is measured, the state in which the quarter-wave plate is inserted is the same as that in the case where the point is measured.
Two measurements must be performed with the quarter wave plate removed. It took about 5 hours to measure about 5,000 points on the entire surface of the silicon wafer 25 having a diameter of 6 inches used in the experiment at intervals of 2 mm. Therefore, as a practical matter, it is impossible to use this conventional apparatus in an actual silicon wafer production inspection line.

【0085】これに対して、4つの光強度を一度に測定
する実施例装置においては、1点測定するのに測定点を
移動させる時間を加えても約2msec であり、同一のシ
リコンウェーハー25を測定するに要する時間は約10
sec であった。したがって、実際の製造検査ラインに十
分組込める処理速度である。
On the other hand, in the embodiment apparatus for measuring four light intensities at a time, it takes about 2 msec to add the time for moving the measuring point to measure one point. It takes about 10 hours to measure
sec. Therefore, the processing speed can be sufficiently incorporated in an actual production inspection line.

【0086】このように、エリプソメータが高速化かつ
小型化されたので、既存の厚み測定装置26に対して付
加的に設置可能となった。半導体プロセスラインでは上
記シリコンウェーハーの他に、窒化膜、ポリシリコン
膜、透明電極材等のオンライン計測への応用が可能であ
る。
As described above, the speed and size of the ellipsometer are reduced, and the ellipsometer can be additionally installed on the existing thickness measuring device 26. In a semiconductor process line, in addition to the above-mentioned silicon wafer, application to online measurement of a nitride film, a polysilicon film, a transparent electrode material and the like is possible.

【0087】図5は本発明の他の実施例に係わるエリプ
ソメータの概略構成を示す図である。図1と同一部分に
は同一符号が付してある。したがって、重複する部分の
詳細説明は省略されている。この実施例においては、1
/4波長板12bが第2の偏光ビームスプリッター14
へ入射される無偏光ビームスプリッター10からの透過
光11bの光路に介挿されている。そして、図1におけ
る1/4波長板12aは除去されている。
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of an ellipsometer according to another embodiment of the present invention. 1 are given the same reference numerals. Therefore, the detailed description of the overlapping part is omitted. In this embodiment, 1
The 波長 wavelength plate 12 b is used as the second polarization beam splitter 14
Is inserted in the optical path of the transmitted light 11b from the non-polarized beam splitter 10 incident on the light. The quarter-wave plate 12a in FIG. 1 has been removed.

【0088】このように構成されたエリプソメータにお
いては、第2の偏光ビームスプリッター14へ入射され
る透過光11bにおける楕円偏光のP偏光,S偏光の位
相差が90°変化するので、結果的に各受光器15a〜
15dに4つの異なる偏光成分が入射される。そして、
この場合、受光器15c,15dの各光強度がI1 ,I
2 となり、受光器15a,15bの各光強度がI3 ,I
4 となる。また、(6)(7)式における定数σR,σTは無
偏光ビームスプリッタ10のP偏光,S偏光の振幅透過
率比,振幅反射率比である。よって、図1の実施例と同
様な動作を得ることができる。
In the ellipsometer configured as described above, the phase difference between the elliptically polarized P-polarized light and the S-polarized light in the transmitted light 11b incident on the second polarizing beam splitter 14 changes by 90 °. Light receiver 15a ~
Four different polarization components are incident on 15d. And
In this case, the light intensities of the light receivers 15c and 15d are I1, I2
2 and the light intensities of the photodetectors 15a and 15b are I3 and I3, respectively.
It becomes 4. Further, the constants σR and σT in the equations (6) and (7) are the amplitude transmittance ratio and amplitude reflectance ratio of the P-polarized light and the S-polarized light of the non-polarizing beam splitter 10. Therefore, the same operation as the embodiment of FIG. 1 can be obtained.

【0089】図6は本発明のさらに別の実施例に係わる
エリプソメータの概略構成を示す模式図である。図1の
実施例と同一部分に同一符号を付して重複する部分の説
明を省略する。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an ellipsometer according to still another embodiment of the present invention. The same parts as those in the embodiment of FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description of the overlapping parts will be omitted.

【0090】この実施例においては、第1の偏光ビーム
スプリッタ36から出力される透過光36aの偏光方向
が前述した基準方向に対して90°方向に向くように、
この第1の偏光ビームスプリッタ36の姿勢が固定され
ている。そして、第2の偏光ビームスプリッタ37から
出力される透過光37aの偏光方向が前記基準方向に対
して+45°方向に向くように、この第2の偏光ビーム
スプリッタ37の姿勢が固定されている。したがって、
必然的に、第1の偏光ビームスプリッタ36の反射光3
6bの偏光方向が+0°方向を向き、第2の偏光ビーム
スプリッタ37の反射光37bの偏光方向が−45°方
向を向く。また、1/4波長板12aは45°傾けて設
置されている。この場合、前述した(32)式は、
In this embodiment, the transmitted light 36a output from the first polarizing beam splitter 36 is oriented at 90 ° with respect to the aforementioned reference direction.
The attitude of the first polarization beam splitter 36 is fixed. The orientation of the second polarization beam splitter 37 is fixed such that the polarization direction of the transmitted light 37a output from the second polarization beam splitter 37 is oriented in the + 45 ° direction with respect to the reference direction. Therefore,
Inevitably, the reflected light 3 of the first polarization beam splitter 36
The polarization direction of 6b is oriented in the + 0 ° direction, and the polarization direction of the reflected light 37b of the second polarization beam splitter 37 is oriented in the −45 ° direction. The quarter-wave plate 12a is installed at an angle of 45 °. In this case, the aforementioned equation (32) becomes

【0091】[0091]

【数18】 したがって、(4) 式におけるi=1 の条件を抜出すと(41)
式となる。 a1 =1 b1 =2・χ・σR c1 =0 d1 =−χ2 ・σR2 …(41) また、A2=0の場合、(32)式は、(42)式となる。
(Equation 18) Therefore, extracting the condition of i = 1 in equation (4) gives (41)
It becomes an expression. a 1 = 1 b 1 = 2 · χ · σR c 1 = 0 d 1 = −χ 2 ・ ΣR 2 (41) When A2 = 0, equation (32) becomes equation (42).

【0092】[0092]

【数19】 したがって、90°の場合と同様に、(4) 式におけるi=
2 の条件を抜出すと(43)式となる。 a2 =1 b2 =−2・χ・σR c2 =0 d2 =−χ2 ・σR2 …(43) したがって、結果的に前述した(28)式のI1 ,I2 の式
と同じになる。よって、求めるエリプソパラメータΔ,
ψは前述した(6)(7)で算出される。 tan(Δ−φ0 )=σT(I1 −I2 )/σR(I3 −I4 ) …(6) tanψ=[{χ2 (σT2 (I1 +I2 )−σR2 (I3 +I4 ))} ÷{(I1 +I2 )−(I3 +I4 )}]1/2 …(7) その結果、図1の実施例とほぼ同様の効果を得ることが
できる。
[Equation 19] Therefore, as in the case of 90 °, i =
If the condition of 2 is extracted, it becomes the formula (43). a 2 = 1 b 2 = −2 · χ · σR c 2 = 0 d 2 = −χ 2 ・ ΣR 2 (43) Accordingly, the result is the same as the expressions I 1 and I 2 in the expression (28). Thus, the ellipsometric parameters Δ,
ψ is calculated in (6) and (7) described above. tan (Δ−φ 0 ) = σT (I 1 −I 2 ) / σR (I 3 −I 4 ) (6) tanψ = [{χ 2 (ΣT 2 (I 1 + I 2 ) −σR 2 (I 3 + I 4)) } ÷ {(I 1 + I 2) - (I 3 + I 4)}] 1/2 (7) As a result, substantially the same effects as in the embodiment of FIG. 1 can be obtained.

【0093】[0093]

【発明の効果】以上説明したように本発明のエリプソパ
ラメータ測定方法およびエリプソメータにおいては、測
定対象にて反射された楕円偏光状態の反射光を互いに異
なる4つ以上のの偏光成分に分離して各偏光成分の光強
度を検出して、この4つ以上の光強度から例えば(1)(2)
式を用いて位相差Δと振幅比 tanψとで決定されるエリ
プソパラメータΔ,ψをΔの所属象限も含めて算出して
いる。したがって、従来手法のように検光子を回転させ
る必要なく、また1/4波長板を測定対象に入出力する
光路に対して挿脱する必要がない。
As described above, in the ellipsometric parameter measuring method and the ellipsometer according to the present invention, the reflected light in the elliptically polarized state reflected by the measurement object is separated into four or more different polarization components different from each other. The light intensity of the polarized light component is detected, and for example, (4)
The ellipsometric parameters Δ and ψ, which are determined by the phase difference Δ and the amplitude ratio tan て, are calculated using the equation, including the quadrant to which the Δ belongs. Therefore, unlike the conventional method, there is no need to rotate the analyzer, and there is no need to insert / remove the quarter-wave plate from / to the optical path for inputting / outputting the object to be measured.

【0094】よって、光学測定系を固定部材のみで構成
でき、可動部材を使用したことに起因する可動所要時間
を省略でき、1度の測定でほぼ瞬時にエリプソパラメー
タを測定できるので、たとえ移動状態の測定対象に対し
てもオンライン状態でエリプソパラメータが測定でき、
かつ膜厚も測定できる。さらに、算出された位相差がい
ずれの象限に所属するかが同時に把握できる。また、広
い膜厚範囲に亘って高い測定精度を維持できる。また、
可動部分が存在しないので、装置全体を小型軽量に形成
でき、製品の製造検査ライン等における狭い場所にも設
置できる。
Therefore, the optical measurement system can be composed of only the fixed member, the time required for movement due to the use of the movable member can be omitted, and the ellipso parameter can be measured almost instantaneously in one measurement. Ellipso parameters can be measured online for measurement targets
And the film thickness can also be measured. Further, it can be simultaneously grasped to which quadrant the calculated phase difference belongs. In addition, high measurement accuracy can be maintained over a wide film thickness range. Also,
Since there are no movable parts, the entire apparatus can be formed small and lightweight, and can be installed in a narrow place in a product inspection line or the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 実施例エリプソメータの本体内部構造を示す
図、
FIG. 1 is a diagram showing an internal structure of a main body of an ellipsometer according to an embodiment;

【図2】 実施例エリプソメータ全体構成を示す図、FIG. 2 is a diagram showing an overall configuration of an ellipsometer according to an embodiment;

【図3】 実施例エリプソメータにおける反射光の楕円
偏光状態を示す図、
FIG. 3 is a diagram showing an elliptically polarized light state of reflected light in the example ellipsometer;

【図4】 実施例エリプソメータを用いたシリコンウェ
ーハーの酸化膜厚測定装置の概略構成図、
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of an apparatus for measuring an oxide film thickness of a silicon wafer using an example ellipsometer,

【図5】 図1の実施例の他方側に波長板を用いた実施
例構造を示す図、
FIG. 5 is a diagram showing an embodiment structure using a wave plate on the other side of the embodiment of FIG. 1,

【図6】 互いに異なる偏光方向に設定された偏光ビ
ームスプリッタを用いた実施例構造を示す図。
FIG. 6 is a diagram showing an embodiment structure using polarization beam splitters set in polarization directions different from each other.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…エリプソメータ本体、2…A/Dコンバータ、3…
パーソナルコンピュータ、4…試料面、5…レーザ光
源、6…偏光子、7…光源部、8…入射光、9…反射
光、10…無偏光ビームスプリッタ、12a,12d…
1/4波長板、13,36…第1の偏光ビームスプリッ
タ、14,37…第2の偏光ビームスプリッタ、15a
〜15d…受光器、25…シリコンウェーハー。
1. Ellipsometer body, 2. A / D converter, 3.
Personal computer, 4 sample surface, 5 laser light source, 6 polarizer, 7 light source unit, 8 incident light, 9 reflected light, 10 non-polarizing beam splitter, 12a, 12d
1/4 wavelength plate, 13, 36... First polarization beam splitter, 14, 37... Second polarization beam splitter, 15a
-15d: photodetector, 25: silicon wafer.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金子 智之 東京都千代田区丸の内一丁目1番2号 日本鋼管株式会社内 (56)参考文献 特開 平3−160331(JP,A) 特開 平2−62930(JP,A) 特開 昭62−251629(JP,A) 特開 昭51−131655(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 11/06 G01J 4/04 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Tomoyuki Kaneko 1-2-1, Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Inside Nippon Kokan Co., Ltd. (56) References JP-A-3-160331 (JP, A) JP-A-2 -62930 (JP, A) JP-A-62-251629 (JP, A) JP-A-51-131655 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01B 11/06 G01J 4/04

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 測定対象に対して偏光した光を所定角度
で入射させ、この測定対象の反射光をそれぞれ互いに異
なる4つ以上の偏光成分に分離し、この分離された4つ
以上の偏光成分の各光強度から、前記反射光における位
相差Δと振幅比 tanψとで決定されるエリプソパラメー
タΔ,ψをΔの所属象限も含めて求めることを特徴とす
るエリプソパラメータ測定方法。
1. A polarized light is incident on a measurement target at a predetermined angle, and reflected light of the measurement target is separated into four or more polarization components different from each other, and the separated four or more polarization components are separated from each other. Ellipsometric parameters Δ and ψ determined by the phase difference Δ and the amplitude ratio tan に お け る in the reflected light, including the quadrant to which the Δ belongs.
【請求項2】 偏光した光を測定対象に所定角度で入射
させる光源部と、前記測定対象にて反射された反射光を
互いに異なる4つ以上の偏光成分に分離する光学系と、
この光学系にて分離された各偏光成分の光強度を検出す
る4つ以上の受光器と、この4つ以上の受光器にて検出
された各光強度から、前記反射光における位相差Δと振
幅比 tanψとで決定されるエリプソパラメータΔ,ψを
Δの所属象限も含めて求める演算部とを備えたエリプソ
メータ。
2. A light source unit for causing polarized light to enter a measurement target at a predetermined angle; and an optical system for separating reflected light reflected by the measurement target into four or more different polarization components.
Four or more light receivers for detecting the light intensity of each polarized light component separated by the optical system, and a phase difference Δ in the reflected light from each light intensity detected by the four or more light receivers. An ellipsometer including an arithmetic unit for obtaining ellipso parameters Δ and 決定 determined by the amplitude ratio tanψ, including the belonging quadrant of Δ.
【請求項3】 偏光した光を測定対象に所定角度で入射
させる光源部と、前記測定対象にて反射された反射光を
互いに異なる4つ以上の偏光成分に分離する光学系と、
この光学系にて分離された各偏光成分の光強度を検出す
る4つ以上の受光器と、この4つ以上の受光器にて検出
された各光強度から下記(1)(2)(3)(4)式を用いて、前記
反射光における位相差Δと振幅比 tanψとで決定される
エリプソパラメータΔ,ψをΔの所属象限も含めて求め
る演算部とを備えたエリプソメータ。 tanψ=(|A|/|D|)1/2 …(1) tan(Δ−φ0 )=|B|/|C| …(2) ここで、|A|,|B|,|C|,|D|はそれぞれ
(3) 式で定義される行列A.B,C,Dの行列式であ
る。 【数1】 但し、 ai =α1i 2 i =2・χ・sin(β2i−β1i) ・α1i・α2ii =2・χ・cos(β2i−β1i) ・α1i・α2ii =−χ2 ・α2i 2 (i= 1,2,3,4) …(4) である。また、α1i,α2i,β1i,β2iは反射光を4つ
以上の偏光成分に分離する光学系によって定まるパラメ
ータであり、χ,φ0 は入射光の偏光状態で定まるパラ
メータであり,Ii (i= 1,2,3,4)は各受光器で検出
された光強度である。
3. A light source unit for causing polarized light to enter a measurement object at a predetermined angle, an optical system for separating reflected light reflected by the measurement object into four or more different polarization components,
Four or more light receivers for detecting the light intensity of each polarized light component separated by this optical system, and the respective light intensities detected by the four or more light receivers, the following (1) (2) (3 And (4) an ellipsometer provided with a calculation unit for obtaining ellipso parameters Δ and さ れ る determined by the phase difference Δ and the amplitude ratio tan に お け る in the reflected light, including the belonging quadrant of Δ, by using equation (4). tanψ = (| A | / | D |) 1/2 .. (1) tan (Δ−φ 0 ) = | B | / | C | (2) where | A |, | B |, | C |, and | D |
Matrix defined by equation (3) This is the determinant of B, C, and D. (Equation 1) Where a i = α 1i 2 b i = 2 · χ · sin (β 2i −β 1i ) · α 1i · α 2ic i = 2 · χ · cos (β 2i −β 1i ) · α 1i · α 2id i = −χ 2 ・ Α 2i 2 (I = 1,2,3,4) ... (4). Α 1i , α 2i , β 1i , and β 2i are parameters determined by an optical system that separates reflected light into four or more polarization components, χ and φ 0 are parameters determined by the polarization state of incident light, I i (i = 1, 2, 3, 4) is the light intensity detected by each light receiver.
【請求項4】 前記各パラメータα1i,α2i,β1i,β
2i (i= 1,2,3,4)は下記(5) 式にて得られる請求項3
記載のエリプソメータ。 α1i=cosAi α2i=σi ・sinAi β1i=0 β2i=φi (i= 1,2,3,4) …(5) ここで、Aiは測定対象への入射光の入射面に平行な方向
を基準方向とする偏光の方位角度であり、σi ,φi
反射光を4つ以上の偏光成分に分離する光学系によって
定まる定数である。
4. The parameters α 1i , α 2i , β 1i , β
2i (i = 1,2,3,4) is obtained by the following equation (5).
The ellipsometer as described. α 1i = cosAi α 2i = σi · sinAi β 1i = 0 β 2i = φ i (i = 1,2,3,4) ... (5) where, Ai is parallel to the plane of incidence of the incident light to be measured such direction is the azimuth angle of the polarization of the reference direction, .sigma.i, the phi i is a constant determined by the optical system for separating the reflected light into four or more polarization components.
【請求項5】 前記(1) (2) 式において、(|B|/|
C|)と(|C|/|D|)との間における正負関係に
従って、前記算出された位相差Δの所属象限を判別する
請求項3または4記載のエリプソメータ。
5. In the formulas (1) and (2), (| B | / |
5. The ellipsometer according to claim 3, wherein a belonging quadrant of the calculated phase difference Δ is determined according to a positive / negative relationship between (C |) and (| C | / | D |).
【請求項6】 前記光学系は、前記測定対象にて反射さ
れた反射光を互いに異なる複数方向の光に分岐する無偏
光ビームスプリッタと、この無偏光ビームスプリッタに
て分岐された各光をそれぞれ互いに異なる方向の偏光成
分に分解する複数の偏光ビームスプリッタとで構成され
た請求項3記載のエリプソメータ。
6. The non-polarizing beam splitter, which splits the light reflected by the measurement target into light in a plurality of directions different from each other, and separates each of the lights split by the non-polarizing beam splitter. 4. The ellipsometer according to claim 3, comprising a plurality of polarization beam splitters for decomposing into polarization components in different directions.
【請求項7】 測定対象に対して偏光した光を所定角度
で入射させ、この測定対象の反射光をそれぞれ互いに異
なる4つの偏光成分に分離し、この分離された4つの偏
光成分の各光強度I1 ,I2 ,I3 ,I4 から下記(6)
(7)式を用いて、前記反射光における位相差Δと振幅比
tanψとで決定されるエリプソパラメータΔ,ψをΔの
所属象限も含めて求めることを特徴とするエリプソパラ
メータ測定方法。 tan(Δ−φ0 )=σT(I1 −I2 )/σR(I3 −I4 ) …(6) tanψ=[{χ2 (σT2 (I1 +I2 )−σR2 (I3 +I4 ))} ÷{(I1 +I2 )−(I3 +I4 )}]1/2 …(7) 但し、位相差φ0 および振幅比χは前記測定対象に対す
る入射光の偏光状態で定まるパラメータであり、σRお
よびσTは前記反射光を4つの偏光成分に分離する光学
系で定まる定数である。
7. A polarized light is incident on a measurement object at a predetermined angle, and reflected light of the measurement object is separated into four different polarization components, respectively, and each light intensity of the separated four polarization components is separated. From I 1 , I 2 , I 3 , I 4 , the following (6)
Using equation (7), the phase difference Δ and the amplitude ratio in the reflected light
An ellipsometric parameter measuring method characterized in that elliptic parameters Δ and さ れ る determined by tan 含 め are obtained including a belonging quadrant of Δ. tan (Δ−φ 0 ) = σT (I 1 −I 2 ) / σR (I 3 −I 4 ) (6) tanψ = [{χ 2 (ΣT 2 (I 1 + I 2 ) −σR 2 (I 3 + I 4)) } ÷ {(I 1 + I 2) - (I 3 + I 4)}] 1/2 (7) where the phase difference φ 0 and the amplitude ratio χ are parameters determined by the polarization state of the incident light with respect to the measurement object, and σR and σT are constants determined by an optical system that separates the reflected light into four polarization components. It is.
【請求項8】 前記(6) 式の[σT(I1 −I2 )]と
[σR(I3 −I4)]との間における正負関係に従っ
て、前記算出された位相差Δの所属象限を判別する請求
項7記載のエリプソパラメータ測定方法。
8. A quadrant to which the calculated phase difference Δ belongs according to the positive / negative relationship between [σT (I 1 −I 2 )] and [σR (I 3 −I 4 )] in the equation (6). The ellipsometric parameter measurement method according to claim 7, wherein the determination is made as follows.
【請求項9】 偏光した光を測定対象に所定角度で入射
させる光源部と、前記測定対象にて反射された反射光を
互いに異なる4つの偏光成分に分離する光学系と、この
光学系内における光路に介挿され、前記反射光の互いに
直交する偏光成分間の位相差を相対的に変化させる波長
板と、前記光学系にて分離された各偏光成分の光強度を
検出する4つの受光器と、この4つの受光器にて検出さ
れた各光強度I1 ,I2 ,I3 ,I4 から下記(6)(7)式
を用いて、前記反射光における位相差Δと振幅比 tanψ
とで決定されるエリプソパラメータΔ,ψをΔの所属象
限も含めて求める演算部とを備えたエリプソメータ。 tan(Δ−φ0 )=σT(I1 −I2 )/σR(I3 −I4 ) …(6) tanψ=[{χ2 (σT2 (I1 +I2 )−σR2 (I3 +I4 ))} ÷{(I1 +I2 )−(I3 +I4 )}]1/2 …(7) 但し、位相差φ0 および振幅比χは前記測定対象に対す
る入射光の偏光状態で定まるパラメータであり、σRお
よびσTは前記反射光を4つの偏光成分に分離する光学
系で定まる定数である。
9. A light source unit for causing polarized light to enter a measurement object at a predetermined angle, an optical system for separating reflected light reflected by the measurement object into four different polarization components, and an optical system in the optical system. A wave plate interposed in an optical path and relatively changing a phase difference between mutually orthogonal polarization components of the reflected light, and four light receivers for detecting light intensity of each polarization component separated by the optical system From the light intensities I 1 , I 2 , I 3 , and I 4 detected by the four light receivers, the phase difference Δ and the amplitude ratio tanψ in the reflected light are obtained using the following equations (6) and (7).
And an operation unit for determining the ellipsometric parameters Δ and さ れ る determined by the above, including the belonging quadrant of Δ. tan (Δ−φ 0 ) = σT (I 1 −I 2 ) / σR (I 3 −I 4 ) (6) tanψ = [{χ 2 (ΣT 2 (I 1 + I 2 ) −σR 2 (I 3 + I 4)) } ÷ {(I 1 + I 2) - (I 3 + I 4)}] 1/2 (7) where the phase difference φ 0 and the amplitude ratio χ are parameters determined by the polarization state of the incident light with respect to the measurement object, and σR and σT are constants determined by an optical system that separates the reflected light into four polarization components. It is.
【請求項10】 前記光学系は、前記測定対象にて反射
された反射光を互いに異なる2方向の光に分岐する無偏
光ビームスプリッタと、この無偏光ビームスプリッタに
て分岐された各光をそれぞれ互いに異なる2方向の偏光
成分に分離する2つの偏光ビームスプリッタとで構成さ
れた請求項9記載のエリプソメータ。
10. The non-polarizing beam splitter, which splits the reflected light reflected by the measurement target into light in two different directions, and separates each of the lights split by the non-polarizing beam splitter. 10. The ellipsometer according to claim 9, comprising two polarization beam splitters for separating polarization components in two different directions.
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