JP2005308612A - Ellipsometer and spectroscopic ellipsometer - Google Patents
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Description
本発明は光の偏光解析装置に関するものであり、偏光解析により薄膜の光学定数および厚さを測定するエリプソメータとして応用できるものである。また、本発明により分光機能を併せ持つ偏光解析装置、つまり分光エリプソメータを実現することも可能となる。 The present invention relates to an optical ellipsometer, and can be applied as an ellipsometer that measures the optical constant and thickness of a thin film by ellipsometry. In addition, according to the present invention, it is possible to realize an ellipsometer having a spectroscopic function, that is, a spectroscopic ellipsometer.
エリプソメトリは薄膜試料の特性を評価する手法として古くから知られており、薄膜試料の表面に斜上方から光を入射し、その反射光の偏光解析を行うことによって試料の膜厚および屈折率を求める手法である。つまりエリプソメトリでは、電界が入射面に平行な偏光成分(p偏光)の反射率(Rp)と、電界が入射面に垂直な偏光成分(s偏光)の反射率(Rs)の比を測定することになる。それぞれの偏光成分の反射率は一般には複素数であり、ρ=Rp/Rs=tan(Ψ)×exp(jΔ)と表すことができる。ここで、ΨおよびΔはエリプソパラメータまたはエリプソメトリ角と呼ばれるものであり、薄膜試料からの反射光(被測定光)の振幅強度比と位相差、つまり反射光の偏光状態を表す量である。このρは薄膜の光学定数(屈折率)や膜厚によって変化する値であるため、測定によりΨとΔの値を知ることができれば、逆に光学定数(n、k)および膜厚(d)の値を算出することが可能となる。 Ellipsometry has long been known as a method for evaluating the properties of thin film samples. Light is incident on the surface of a thin film sample obliquely from above, and the thickness and refractive index of the sample are determined by analyzing the polarization of the reflected light. It is a technique to seek. In other words, in ellipsometry, the ratio of the reflectance (Rp) of a polarized component (p-polarized light) whose electric field is parallel to the incident surface and the reflectance (Rs) of a polarized component (s-polarized light) whose electric field is perpendicular to the incident surface is measured. It will be. The reflectance of each polarization component is generally a complex number and can be expressed as ρ = Rp / Rs = tan (Ψ) × exp (jΔ). Here, Ψ and Δ are called ellipso parameters or ellipsometry angles, and are quantities representing the amplitude intensity ratio and phase difference of the reflected light (light to be measured) from the thin film sample, that is, the polarization state of the reflected light. Since ρ is a value that varies depending on the optical constant (refractive index) and film thickness of the thin film, if the values of Ψ and Δ can be known by measurement, the optical constant (n, k) and film thickness (d) are reversed. Can be calculated.
従来のエリプソメータでは、試料からの反射光の偏光解析を行う方法として、「消光法」「回転検光子法」「回転位相子法」「位相変調法」などのさまざまな方式が採用されてきた(非特許文献1、非特許文献2)。なかでも回転検光子法は最もシンプルな偏光解析方法であり、被測定光を回転する偏光子に入射させて、透過光強度の変化を測定する方法である。この場合、偏光子の主軸角度と透過光強度の関係が判れば被測定光の偏光状態を算出することが可能となる。このような回転検光子法は、装置構成がシンプルなことや波長依存性が少ないことなどの利点により現在でも多くの装置に採用されている。しかしながらこの方法は測定される偏光状態のΔ(p偏波とs偏波の位相差)の正負、つまり右回り偏光か左回り偏光かの区別ができないという欠点があるだけでなく、回転機構や駆動部分が必須なため、装置の小型化や高精度化が難しい。
In conventional ellipsometers, various methods such as “quenching method”, “rotating analyzer method”, “rotating phaser method”, and “phase modulation method” have been adopted as methods for performing polarization analysis of reflected light from a sample ( Non-patent
回転検光子法が偏光子1枚だけを使用する偏光解析方法であるのに対して、回転位相子法と消光法では偏光子と位相子(波長板)の2枚の素子を使用する偏光解析方法である。回転位相子法では回転する波長板(通常は1/4波長板)と固定の偏光子とを使用する。この方法では被測定光を波長板・偏光子の順に通し、波長板の回転に伴う透過光の強度変化を測定することによって被測定光の偏光状態を求めることができる。一方の消光法は使用する波長板と偏光子の両方が回転可能な方式であり、被測定光を波長板・偏光子の順に通し、それぞれの素子を回転させて完全に消光される点を探る。この場合は消光点での波長板と偏光子の主軸角度から、被測定光の偏光状態を知ることができる。以上のような回転位相子法と消光法には全ての偏光状態を漏れなく測定できるという利点があるが、装置構成が複雑になる、測定に時間が掛かるなどいった不都合も存在する。(位相変調法およびその他の方式についての説明は割愛する。) While the rotation analyzer method is a polarization analysis method that uses only one polarizer, the rotation phaser method and the quenching method use two elements: a polarizer and a phaser (wave plate). Is the method. The rotating phaser method uses a rotating wave plate (usually a quarter wave plate) and a fixed polarizer. In this method, the light to be measured is passed through the waveplate and the polarizer in this order, and the polarization state of the light to be measured can be determined by measuring the intensity change of the transmitted light accompanying the rotation of the waveplate. One quenching method is a system in which both the wave plate and the polarizer to be used can rotate. Pass the light to be measured in the order of the wave plate and the polarizer, and rotate each element to find the point where it is completely quenched. . In this case, the polarization state of the light to be measured can be known from the principal axis angle of the wave plate and the polarizer at the extinction point. The rotational phaser method and the quenching method as described above have an advantage that all polarization states can be measured without omission, but there are also disadvantages such as a complicated apparatus configuration and a long time for measurement. (Description of the phase modulation method and other methods is omitted.)
従来のエリプソメータの駆動部をなくし、高精度かつ高速な偏光解析を実現するため、我々はこれまでに波長板アレイと偏光子アレイと受光素子アレイとを組み合わせる新しい偏光解析装置を提案してきた(特許文献1)。これらの提案は、従来の消光法および位相変調法のエリプソメータに相当するものであり、波長板の角度と偏光子の角度(または位相変調の位相差と偏光子の角度)についての情報を2次元データとして瞬時に測定することができるため、非常に高速な測定が可能となる。この新しい偏光解析装置は、フォトニック結晶技術を利用することによって小型で信頼性の高い装置を実現できるだけでなく、適切な偏光解析アルゴリズムの採用により、高精度な偏光解析が可能となる(特許文献2)。 In order to eliminate the drive part of the conventional ellipsometer and realize high-accuracy and high-speed polarization analysis, we have proposed a new ellipsometer that combines a waveplate array, polarizer array, and light-receiving element array (patented) Reference 1). These proposals correspond to conventional extinction and phase modulation ellipsometers, which provide two-dimensional information about wave plate angle and polarizer angle (or phase modulation phase difference and polarizer angle). Since it can be measured instantaneously as data, a very high speed measurement is possible. This new ellipsometer can not only realize a compact and highly reliable device by utilizing photonic crystal technology, but also enables highly accurate ellipsometry by adopting an appropriate ellipsometry algorithm (Patent Literature) 2).
一方、近年の半導体部品や光部品などのデバイス技術の進歩に伴い、薄膜の特性評価に要求される精度も年々厳しくなっており、インラインまたはオフラインの特性評価において分光エリプソの必要性が高まっている。分光エリプソメトリとは、試料によって反射された光の偏光状態(Ψ、Δ)の波長(λ)に対するスペクトルを測定することにより、薄膜試料の光学定数(n、k)と膜厚(d)を高精度に求める手法である。一般に、単一波長のエリプソメトリで測定される偏光情報がΨとΔの2つだけであるのに対し、分光エリプソでは波長に対する情報を利用することができるため、3つのパラメータ(n、k、d)の値を高い精度で求めることが可能となる。測定されるΨやΔについてのスペクトルは、光学モデルにより正確に予測できるため、分光エリプソは未知の材料の評価や多層膜の評価などにおいて非常に有効な手段である。 On the other hand, with the advancement of device technology such as semiconductor parts and optical parts in recent years, the accuracy required for thin film characteristic evaluation has become stricter year by year, and the need for spectroscopic ellipso is increasing in inline or offline characteristic evaluation. . Spectroscopic ellipsometry is to measure the optical constant (n, k) and film thickness (d) of a thin film sample by measuring the spectrum with respect to the wavelength (λ) of the polarization state (Ψ, Δ) of the light reflected by the sample. This is a method for obtaining with high accuracy. In general, there are only two polarization information, Ψ and Δ, measured by single wavelength ellipsometry, whereas spectral ellipso can use information on wavelength, so three parameters (n, k, It becomes possible to obtain the value of d) with high accuracy. Since the spectrum of the measured Ψ and Δ can be accurately predicted by an optical model, the spectroscopic ellipso is a very effective means for evaluating unknown materials and multilayer films.
しかし従来の分光エリプソメータは、前述の回転検光子法や位相変調法などのエリプソメータと分光器(モノクロメータ)を組み合わせた構成であったため、非常に大型で高価な装置であった。さらに、分光器を用いて被測定光の波長を少しずつ変化させながら、それぞれの波長毎に偏光状態を測定しなくてはならなかったため、測定に多大な時間を要した。そこで本発明では、これまでに提案してきたアレイ型の偏光解析装置の概念を発展させ、偏光解析装置の新しい構成を提案すると同時に、小型で高精度かつ高速な分光エリプソメータの実現方法を提案する。
既に述べたように、従来のエリプソメータおよび分光エリプソメータは、駆動部が必要で複雑な構成となってしまうため、(1)装置が大きい、(2)高価、(3)測定時間が長い、(4)信頼性に欠ける、などの問題があった。本発明ではアレイ化の技術を用いることによってこれらの問題を解決し、駆動部がなく、高速測定が可能であり、小型で且つ信頼性の高い偏光解析装置またはエリプソメータを安価に実現する手段を提供するものである。 As already described, the conventional ellipsometer and spectroscopic ellipsometer require a driving unit and have a complicated configuration. Therefore, (1) the apparatus is large, (2) expensive, and (3) the measurement time is long (4 ) There were problems such as lack of reliability. The present invention solves these problems by using an array technology, and provides a means for realizing a small-sized and highly reliable ellipsometer or ellipsometer that is capable of high-speed measurement without a drive unit. To do.
主軸方向が違う複数の偏光子領域を配列した偏光子アレイと受光素子アレイとの2つの光学部品を組み合わせることによって、または主軸方向が違う複数の波長板領域を配列した波長板アレイと主軸方向が一定の偏光子と受光素子アレイとの3つの光学部品を組み合わせることによって、回転検光子型および回転位相子型の偏光解析装置を構成する。これらの偏光解析装置は、偏光子や波長板の主軸角度と光の透過強度との関係を瞬時に求められるため、従来の装置と比較して測定時間の大幅な短縮が可能である。また、部品点数の削減や駆動部の省略が可能なため、小型で信頼性の高い装置が実現できる。さらに、これらの偏光解析装置と回折格子などの分散デバイスを組み合わせることにより、偏光状態のスペクトルを2次元データとして瞬時に読み取れるような分光偏光解析装置(分光エリプソメータ)を実現できる。 By combining two optical components, a polarizer array in which a plurality of polarizer regions with different principal axis directions are arranged, and a light receiving element array, or a wavelength plate array in which a plurality of wavelength plate regions with different principal axis directions are arranged and the principal axis direction is By combining three optical components of a fixed polarizer and a light receiving element array, a rotation analyzer type and a rotation phaser type polarization analyzer are configured. In these ellipsometers, since the relationship between the principal axis angle of the polarizer and the wave plate and the light transmission intensity can be obtained instantaneously, the measurement time can be greatly reduced as compared with the conventional apparatus. Further, since the number of parts can be reduced and the drive unit can be omitted, a small and highly reliable device can be realized. Furthermore, by combining these ellipsometers with a dispersion device such as a diffraction grating, a spectroscopic ellipsometer (spectral ellipsometer) that can instantaneously read the polarization state spectrum as two-dimensional data can be realized.
本発明の偏光解析装置で使用される偏光子アレイや波長板アレイは、自己クローニング型フォトニック結晶技術(特許文献3)を採用することにより、小型かつ高精度に作製することが可能である。自己クローニング型フォトニック結晶は、図1に示すように、周期的な溝列を形成した透明材料基板101上に透明な高屈折率媒質102と低屈折率媒質103とを界面の形状を保存しながら交互に積層させることによって作製されるものである。各層の形状は一定の方向(図ではx方向)に周期性を持つが、それと直行する方向(y方向)には一様であっても良いしx軸方向より大きい長さの周期的または非周期的な構造を有していても構わない。凹凸形状を維持しながら多層の成膜を行うためには、スパッタデポジションとバイアススパッタリングを最適な条件で組み合わせることが重要である。このようにして、微細な屈折率周期構造(フォトニック結晶)を再現性良く、高い均一性で、工業的に作製することができる。
The polarizer array and the wave plate array used in the ellipsometer of the present invention can be manufactured in a small size and with high accuracy by adopting a self-cloning photonic crystal technique (Patent Document 3). As shown in FIG. 1, the self-cloning photonic crystal preserves the shape of the interface between a transparent high-
図1のような自己クローニング型フォトニック結晶に対して垂直(±z方向)に光を入射した場合、周期構造体の内部には、溝列に平行な方向に電場を持つ成分(TEモード)と、直交する方向に電場を持つ成分(TMモード)の光が励起される。それぞれのモードの伝搬定数は、周期構造を構成する材料の屈折率、凹凸の周期、積層周期などによって広い範囲で選ぶことができる。例として、高屈折率材料にSi、低屈折率材料にSiO2を用いて作成した自己クローニング型フォトニック結晶の分散曲線を図2に示す。縦軸は光の振動数を積層周期Lzで規格化した値、横軸は1周期を伝搬したときの位相変化量kzLzをπで規格化した値である。このようなフォトニック結晶は、周波数領域201においては、TE波が遮断域となるため、TM波のみが透過する偏光分離素子(偏光子)として動作する(特許文献3)。周波数領域202では、逆にTM波が遮断域となるため、TE波のみが透過する偏光子となる。また、周波数領域203では、どちらのモードについても伝搬域であるが、それぞれの伝搬定数が異なるため、2つの偏波に位相差を与える波長板として動作することになる。位相差が最適になるように設計することにより、1/4波長板や1/2波長板を製作することができる。
When light is incident vertically (± z direction) on the self-cloning photonic crystal as shown in FIG. 1, a component having an electric field in the direction parallel to the groove array (TE mode) is present inside the periodic structure. Then, light of a component (TM mode) having an electric field in the orthogonal direction is excited. The propagation constant of each mode can be selected in a wide range depending on the refractive index of the material constituting the periodic structure, the period of unevenness, the lamination period, and the like. As an example, FIG. 2 shows a dispersion curve of a self-cloning photonic crystal formed using Si as a high refractive index material and
以上のようなフォトニック結晶偏光子やフォトニック結晶波長板においては、デバイスの主軸方向は凹凸周期パターンの方向、つまり基板上の溝の方向によって決定される。基板の周期パターンは通常のフォトリソプロセスによって作製できるため、1枚の基板上に複数の領域を設け、それぞれの領域ごとに溝の方向を変えることも容易である。つまり、フォトニック結晶の特性(この場合は主軸方向)を領域毎に変えることができるのである。これをマルチパターンフォトニック結晶と呼ぶ。本発明の偏光解析装置で使用される波長板アレイや偏光子アレイは、マルチパターンフォトニック結晶の技術を用いることにより容易に形成することができる。 In the photonic crystal polarizer and the photonic crystal wave plate as described above, the principal axis direction of the device is determined by the direction of the uneven periodic pattern, that is, the direction of the groove on the substrate. Since the periodic pattern of the substrate can be produced by a normal photolithography process, it is easy to provide a plurality of regions on one substrate and change the direction of the groove for each region. That is, the characteristics of the photonic crystal (in this case, the principal axis direction) can be changed for each region. This is called a multi-pattern photonic crystal. The wave plate array and the polarizer array used in the ellipsometer of the present invention can be easily formed by using a multi-pattern photonic crystal technique.
偏光子アレイおよび波長板アレイを用いることによって実現される本発明の偏光解析装置について、以下で簡単に説明する。 The polarization analyzer of the present invention realized by using a polarizer array and a wave plate array will be briefly described below.
請求項1に関する偏光解析装置は、主軸方向が異なる複数の偏光子領域からなる偏光子アレイの後方に、それぞれの偏光子領域を透過した光の強度を個別に測定できるような受光素子アレイを配置したことを特徴とするものである。偏光子の主軸角度と通過光強度の関係を受光素子アレイによって瞬時に計測できるため、非常に高速な偏光解析が可能となる。これは従来の回転検光子型の偏光解析装置相当するものである。
In the ellipsometer according to
請求項2に関する偏光解析装置は、請求項1の偏光解析装置において使用される偏光子アレイが、面内方向にはそれぞれの領域毎に決まった特定の方向に繰り返される周期的な凹凸形状を有しており、かつ積層方向には各層の形状が周期的に繰り返されるような誘電体多層膜、つまり自己クローニング型フォトニック結晶からなることを特徴とするものである。フォトニック結晶を利用することにより、各偏光子領域の主軸角度を厳密に制御できるため、小型で高精度な偏光解析装置を実現できる。
In the ellipsometer relating to claim 2, the polarizer array used in the ellipsometer of
請求項3に関する偏光解析装置は、主軸方向が異なる複数の波長板領域からなる波長板アレイ(理想的には1/4波長板アレイ)と、透過する偏波の方向が一様な偏光子とを、波長板アレイが前面、偏光子が後面となるように配置し、その後方に受光素子アレイを配置したことを特徴とするものである。波長板の主軸角度と透過光強度の関係を受光素子アレイによって瞬時に測定できるため、非常に高速な偏光解析が可能となる。これは従来の回転位相子型の偏光解析装置に相当するものである。 The ellipsometer relating to claim 3 includes a wave plate array (ideally a quarter wave plate array) comprising a plurality of wave plate regions having different principal axis directions, and a polarizer having a uniform direction of transmitted polarization. Are arranged such that the wave plate array is the front surface and the polarizer is the rear surface, and the light receiving element array is disposed behind the wave plate array. Since the relationship between the principal axis angle of the wave plate and the transmitted light intensity can be instantaneously measured by the light receiving element array, a very high-speed polarization analysis becomes possible. This corresponds to a conventional rotational phaser type ellipsometer.
請求項4に関する偏光解析装置は、請求項3記載の偏光解析装置において使用される波長板アレイが、面内方向にはそれぞれの領域毎に決まった特定の方向に繰り返される周期的な凹凸形状を有しており、かつ積層方向には各層の形状が周期的に繰り返されるような誘電体多層膜、つまり自己クローニング型フォトニック結晶からなることを特徴とするものである。フォトニック結晶を利用することにより、小型で高精度な波長板アレイを実現できる。一方の偏光子については、フォトニック結晶を利用したものであっても良いし、金属微粒子分散ガラスや有機フィルム等の従来の技術を利用したものであっても良い。
In the ellipsometer relating to claim 4, the wave plate array used in the ellipsometer according to
請求項5に関する偏光解析装置は、主軸方向が異なる複数の細長い偏光子領域をストライプ状に配置した偏光子アレイを有する請求項1または請求項2に記載の偏光解析装置と、入射光を波長または周波数成分ごとに分離する分散デバイスを組み合わせたことを特徴とするものである。被測定光は分散デバイスによって偏光子アレイの配列方向と直交する方向に分散された後、偏光子アレイに入射される。偏光子アレイを透過後の光強度を受光素子アレイで一括して計測することにより、偏光状態と波長についての2次元情報を得ることができるため、高速な分光エリプソ解析が可能となる。
The ellipsometer according to
請求項6に関する偏光解析装置は、主軸方向が異なる複数の細長い波長板領域をストライプ状に配置した波長板アレイを有する請求項3または請求項4に記載の偏光解析装置と、入射光を波長または周波数成分ごとに分離する分散デバイスを組み合わせたことを特徴とするものである。被測定光は分散デバイスによって波長板アレイの配列方向と直交する方向に分散された後、波長板アレイに入射される。波長板アレイの各領域と一様な偏光子とを透過後の光強度を受光素子アレイで一括に計測することにより、偏光状態と波長についての2次元情報を得ることができるため、高速な分光エリプソ解析が可能となる。
The ellipsometer according to
本発明の構成により、小型で駆動部が無い偏光解析装置および分光偏光解析装置を実現できる。また、それぞれの構成部品は小型であり、位置調整も容易であることから、低コストで信頼性の高い製品の実現が期待できる。特に、本発明により実現できるエリプソメータおよび分光エリプソメータは、被測定光の偏光状態(Ψ、Δ)と波長(λ)の関係、すなわち薄膜試料の光学定数(n、k)と膜厚(d)とを精度良く求めることができるため、半導体や光学部品などの製造現場において新しい利用方法が可能となる。従来の高価で大型なエリプソメータはオフラインでの使用が前提となっていたが、本発明により例えば、薄膜製造装置の内部に小型の測定装置を設置してプロセス中にオンラインで測定することも可能になる。以上のように本発明の偏光解析装置は、薄膜製造装置の制御あるいは薄膜製品の品質管理に適しており、従来の装置を置き換えるだけでなく、エリプソメータの新しい利用方法を実現することができる。 With the configuration of the present invention, a small-sized ellipsometer and a spectroscopic ellipsometer without a drive unit can be realized. In addition, since each component is small and position adjustment is easy, it can be expected to realize a low-cost and highly reliable product. In particular, the ellipsometer and the spectroscopic ellipsometer that can be realized by the present invention are the relationship between the polarization state (Ψ, Δ) of the light to be measured and the wavelength (λ), that is, the optical constant (n, k) and the film thickness (d) of the thin film sample. Can be obtained with high accuracy, so that a new method of use can be made at the manufacturing site of semiconductors and optical components. Conventional expensive and large ellipsometers are assumed to be used off-line, but the present invention makes it possible, for example, to install a small measuring device inside a thin film manufacturing apparatus and measure it online during the process. Become. As described above, the ellipsometer of the present invention is suitable for controlling a thin film manufacturing apparatus or quality control of a thin film product, and not only replaces a conventional apparatus but also realizes a new method of using an ellipsometer.
本発明の詳細について説明する前に、光の偏光状態の数学的表現について説明する。光は電磁波、つまり「横波」であり、進行方向に垂直な電界成分を持つ。電界方向には2つの自由度が存在し、図3(a)に示したように、2つの成分がそれぞれ違う位相で伝搬する。したがって光を計測した場合、電界ベクトルは一般的には図3(b)に示したような楕円軌道を描くことになる。電界の垂直成分と水平成分の振幅をそれぞれ、Ax、Ayとおいた場合、各周波数ωでz方向に進行する光の偏光状態は図3(c)の式301のように表現することができる。ここで、φx、φyはそれぞれの偏光成分の位相を、kは光の伝搬定数を表す値である。このときエリプソメトリで測定されるパラメータ(Ψ、Δ)は、各成分の振幅と位相の値を用いて式302のように表すことができる。つまり、被測定光のAxとAy(またはΨ)およびΔの値が求められれば、偏光状態が特定できるわけである。
Before describing the details of the present invention, a mathematical expression of the polarization state of light will be described. Light is an electromagnetic wave, that is, a “transverse wave”, and has an electric field component perpendicular to the traveling direction. There are two degrees of freedom in the electric field direction, and the two components propagate in different phases, as shown in FIG. Therefore, when measuring light, the electric field vector generally draws an elliptical orbit as shown in FIG. When the amplitudes of the vertical component and horizontal component of the electric field are respectively Ax and Ay, the polarization state of the light traveling in the z direction at each frequency ω can be expressed as
光の偏光状態の表現方法として、Sパラメータとポアンカレ球を用いる方法も良く知られている。これは、光の偏光状態をS1、S2、S3およびS0の4つのパラメータで表し、半径=S0の球面上の点として表現する方法である。ポアンカレ球では球面上の座標と偏光状態が1対1に対応するため、偏光状態についてイメージを掴み易いという利点がある。例えば、先ほどの図3(b)の楕円偏光(主軸角度をγ、楕円率角をηとする)をポアンカレ球で表現すれは、図4(a)に示したように、経度2γ、緯度2ηの地点となる。それぞれのSパラメータは、2つの偏光成分の振幅(Ax、Ay)と位相(Δ)の値を用いて、図4(b)の式501のように表すことができる。また、S0とS1、S2、S3の間には式502の関係がある。
As a method for expressing the polarization state of light, a method using an S parameter and a Poincare sphere is also well known. In this method, the polarization state of light is expressed by four parameters S1, S2, S3, and S0, and expressed as a point on a spherical surface having a radius = S0. The Poincare sphere has an advantage that the image on the polarization state can be easily grasped because the coordinates on the spherical surface and the polarization state correspond one-to-one. For example, if the elliptically polarized light (main axis angle is γ and ellipticity angle is η) in FIG. 3B is expressed by a Poincare sphere, as shown in FIG. 4A, longitude 2γ, latitude 2η It becomes the point. Each S parameter can be expressed as an
もう1つの偏光状態の表現方法として、楕円偏光の楕円率(ε)と、長軸の傾き角度(γ)を用いる方法について説明する。この方法は偏光状態の表現方法として必ずしも一般的な手法ではないが、本発明の偏光解析手法を理論的に計算する場合にわかり易い方法である。図5(a)に示したように、電界ベクトルが描く楕円の長軸と短軸の長さの比を1:εとし、長軸の傾きをγとする。εは−1から1の間の値を持ち、右回り偏光では正の値、左回り偏光では負の値となる。一方、γは−90°から90°の間の値である。このγとεの関係を、既に説明したAx、AyとΔ、およびΨとΔを用いて表現すると、図5(b)の式601のようになる。(ただし、式601では比例係数は省いた。) As another method for expressing the polarization state, a method using the ellipticity (ε) of elliptically polarized light and the inclination angle (γ) of the major axis will be described. This method is not necessarily a general method for expressing the polarization state, but it is an easy-to-understand method when theoretically calculating the polarization analysis method of the present invention. As shown in FIG. 5A, the ratio of the major axis to the minor axis length of the ellipse drawn by the electric field vector is 1: ε, and the inclination of the major axis is γ. ε has a value between −1 and 1, and is a positive value for clockwise polarized light and a negative value for counterclockwise polarized light. On the other hand, γ is a value between −90 ° and 90 °. When the relationship between γ and ε is expressed using Ax, Ay and Δ, and Ψ and Δ, which have already been described, an equation 601 in FIG. 5B is obtained. (However, the proportionality coefficient is omitted in Equation 601.)
以下では、以上の3通りの方法を用いて本発明の偏光解析装置を説明する。ここで重要な点は、これらの偏光状態の表現方法はそれぞれ独立ではなく、すべて1対1に対応しており、どの方法を用いても同じ結果が導かれるという点である。 Below, the ellipsometry apparatus of this invention is demonstrated using the above three methods. The important point here is that the expression methods of these polarization states are not independent, but all correspond to one to one, and any method can be used to obtain the same result.
まず、請求項1および請求項2で示した「回転検光子型」の偏光解析装置の構成を図6に示す。偏光子アレイ701は主軸角度を少しずつ変化させたN個(Nは2以上の整数)の偏光子領域を配列したものであり、それぞれの偏光子領域の偏波消光比は十分に高いものとする。図の偏光子アレイは、各偏光子領域が全て同じ形状であり、それぞれの主軸角度を基準軸(x軸方向)に対して0°から180°まで徐々に変化させて、横方向(y軸方向)に配列してあるが、基準軸の選び方、主軸角度の範囲、各偏光子の形状および配列位置はいずれも任意である。このような偏光子アレイの後方に受光素子アレイ702を配置する。こうすることにより偏光子アレイのそれぞれの偏光子領域を透過した光の強度を、受光素子アレイによって一括して測定することが可能となる。偏光子アレイ701は受光素子アレイ702に直接貼り合わせても良いし、リレーレンズを用いて偏光子アレイを通過した光を受光素子アレイに結像させても良い。
First, FIG. 6 shows the configuration of the “rotating analyzer type” ellipsometer shown in
図6のような偏光解析装置を実現するためには、小型の偏光子アレイが必須となる。また高精度な偏光解析を行うためには、それぞれの偏光子領域の主軸角度を正確に把握する必要がある。しかしながら、従来の偏光子はひとつひとつが独立の部品であったため、各偏光子の角度を厳密に管理することや、複数の素子を並べて小型のアレイを実現することは困難であった。これに対し、自己クローニングフォトニック結晶を利用すれば、基盤上に形成する溝の方向によって偏光子の主軸角度を厳密に制御できるだけでなく、マルチパターン技術によって1つの基板内に特性(この場合は主軸角度)の違う領域を複数作り込むことも容易である。したがって、フォトニック結晶技術により、本発明で使用する偏光子アレイを小型かつ高精度に製作することができる(請求項2)。 In order to realize the ellipsometer as shown in FIG. 6, a small polarizer array is essential. In addition, in order to perform highly accurate polarization analysis, it is necessary to accurately grasp the principal axis angle of each polarizer region. However, since each conventional polarizer is an independent component, it has been difficult to strictly manage the angle of each polarizer and to realize a small array by arranging a plurality of elements. On the other hand, if the self-cloning photonic crystal is used, not only can the principal axis angle of the polarizer be strictly controlled by the direction of the groove formed on the substrate, but also the characteristics (in this case, in one substrate by multi-pattern technology) It is also easy to create multiple areas with different spindle angles. Therefore, the polarizer array used in the present invention can be manufactured in a small size and with high accuracy by the photonic crystal technique (claim 2).
この「回転検光子型」の偏光解析装置に被測定光を入射させた場合に、受光素子アレイで観測される光強度分布について説明する。ただし、ここでは偏光子アレイや受光素子アレイは十分に小型であり、したがって被測定光はアレイに均一な強度で照射されるものとする。被測定光の偏光状態を2つの電界成分の振幅(Ax、Ay)と位相差(Δ)によって表す場合、主軸角度φの検光子(偏光子)を透過した光の偏光状態(ジョーンズベクトルu)は図7の式801のように記述できる。従って、受光素子アレイで計測される光強度分布Iは、式802のように求めることができる。式802をSパラメータ(式501)を用いて書き直し、さらに被測定光の強度で規格化すると、光強度分布Iは結局式803のようになる。式802および式803から、受光素子アレイで観測される光強度分布は、被測定光の偏光状態と偏光子の角度の関数として表されることがわかる。従って、受光素子アレイで観測される一次元の光強度分布を解析することにより、逆に被測定光の偏光状態を特定できるのである。
A description will be given of the light intensity distribution observed in the light receiving element array when the light to be measured is incident on the "rotating analyzer type" ellipsometer. However, here, it is assumed that the polarizer array and the light receiving element array are sufficiently small, and therefore the light to be measured is irradiated to the array with uniform intensity. When the polarization state of the light to be measured is expressed by the amplitude (Ax, Ay) and the phase difference (Δ) of the two electric field components, the polarization state of the light transmitted through the analyzer (polarizer) having the principal axis angle φ (Jones vector u) Can be described as
一方、被測定光の偏光状態を楕円率(ε)と傾き(γ)で表す場合は、主軸角度φの偏光子を透過後の光の偏光状態は図8の式901のように記述でき、受光素子アレイで観測される光強度Iは式902のように求めることができる(簡単のため、2φ=Φと置き換えた)。式902を被測定光の強度で規格化すると式903が得られる。式903より、受光素子アレイで観測される光強度分布は、被測定光の偏光状態と偏光子の主軸角度との関数として表されることがわかる。またこの式が意味するのは、回転検光子型の偏光解析装置において観測される一次元の光強度分布は、DC成分と一つの周波数成分のみで表現できるということである。したがって例えば、受光素子アレイで観測される光強度分布をフーリエ解析し、Φの一次の周波数成分について振幅と位相の値を求めることができれば、ε(正確にはεの2乗)とγの値、つまり被測定光の偏光状態を知ることができることになる。
On the other hand, when the polarization state of the light to be measured is expressed by ellipticity (ε) and inclination (γ), the polarization state of the light after passing through the polarizer having the principal axis angle φ can be described as
既に述べたように、このような「回転検光子型」の偏光解析装置では、Δについて正負の区別ができない。つまり式803では、観測される光強度分布から求められるのは、S1とS2の値であり、S3の値は式502(この場合はS0=1)を用いて計算することになる。従って、S3の正負は知ることができない。同様に式903では、求められるのはγとεの2乗の値であり、εの正負は判別できない。このように、回転検光子型の偏光解析装置は、被測定光の右回りと左回りの区別ができないという欠点がある。しかしながら既に述べたように、この回転検光子型の偏光解析装置は、部品点数が少なく構成がシンプルであることや、波長依存性が小さく比較的高精度な測定が可能なことなどの利点を持っている。
As described above, in such a “rotating analyzer type” ellipsometer, it is not possible to distinguish between positive and negative with respect to Δ. That is, in Expression 803, the values of S1 and S2 are obtained from the observed light intensity distribution, and the value of S3 is calculated using Expression 502 (in this case, S0 = 1). Therefore, the sign of S3 cannot be known. Similarly, in
次に、請求項3および請求項4で示した「回転位相子型」の偏光解析装置について図9を用いて説明する。波長板アレイ1001は主軸角度を少しずつ変化させたN個(Nは2以上の整数)の波長板(理想的には1/4波長板)領域を配列したものである。図の波長板アレイは、各波長板領域を全て同じ形状であり、それぞれの主軸角度を基準軸(x軸方向)に対して0°から180°まで徐々に変化させて、横方向(y軸方向)に配列してあるが、基準軸の取り方、主軸角度の範囲,各波長板領域の形状および配列位置はいずれも任意である。このような波長板アレイの後方に、主軸方向が一様な偏光子1002を配置し、さらに後方に受光素子アレイ1003を配置する。このとき偏光子の主軸角度は任意である。このような構成では、波長板アレイと偏光子を透過した光の強度を、受光素子アレイによって一括して測定することが可能となる。波長板アレイ1001と偏光子1002は貼り合わせて一体化させても良いし、リレーレンズを挿入して波長板アレイ通過後の光を偏光子へ結像させても良い。同様に偏光子1002と受光素子アレイも、張り合わせて一体化しても良いし、偏光子を通過した光を受光素子アレイに結像させても良い。
Next, the "rotary phaser type" ellipsometer described in
図9のような偏光解析装置には、各領域の主軸角度が正確に管理された小型の波長板アレイが必須である。しかしながら、従来の偏光子はやはり各々が独立の部品であったため、各偏光子の角度を厳密に管理しつつ、複数の素子を並べて小型のアレイを実現することは困難であった。これに対して、自己クローニングフォトニック結晶を利用すれば、既に説明したように、各波長板の主軸角度を厳密に制御することや、マルチパターン技術によって主軸角度の違う複数の波長板を同一基板上に製作することが容易にできるため、小型かつ高精度な波長板アレイを製作することができる(請求項4)。一方、「回転位相子型」の偏光解析装置では、主軸方向が一様な偏光子も必要である。この偏光子としては、金属微粒子分散ガラスや有機フィルムなどの従来から存在する偏光子を用いても良いし、フォトニック結晶偏光子を用いてもよい。偏光子にフォトニック結晶を利用する場合は、プロセスの工夫により、1枚の基板に偏光子と波長板アレイを順に積層させることや(実施例3)、基盤の両面にそれぞれ波長板アレイと偏光子を作製することも可能である(実施例4)。 In the ellipsometer as shown in FIG. 9, a small wave plate array in which the principal axis angle of each region is accurately managed is essential. However, since the conventional polarizers are still independent components, it is difficult to realize a small array by arranging a plurality of elements while strictly controlling the angle of each polarizer. On the other hand, if self-cloning photonic crystals are used, as already explained, the principal axis angle of each wave plate can be strictly controlled, or multiple wave plates with different principal axis angles can be formed on the same substrate by multi-pattern technology. Since it can be manufactured easily, a small and highly accurate wave plate array can be manufactured. On the other hand, a “rotary phaser type” ellipsometer also requires a polarizer with a uniform principal axis direction. As this polarizer, a conventionally existing polarizer such as a metal fine particle-dispersed glass or an organic film may be used, or a photonic crystal polarizer may be used. When a photonic crystal is used as a polarizer, a polarizer and a wave plate array are sequentially laminated on a single substrate (Example 3), or a wave plate array and a polarization are respectively formed on both sides of the substrate. It is also possible to produce a child (Example 4).
この「回転位相子型」の偏光解析装置に被測定光を入射させた場合に、受光素子アレイで観測される光強度分布について説明する。被測定光の偏光状態を2つの電界成分の振幅(Ax、Ay)と位相差(Δ)によって表す場合、主軸角度θの波長板と偏光子を透過した光のジョーンズベクトル(u)は図10の式1101のように記述できる。但しここでは簡単のために、波長板アレイの位相差は1/4波長(つまりπ/2ラジラン)とし、偏光子の主軸角度は0°とした。このとき、受光素子アレイで計測される光強度Iは、式1102のように求めることができる。式1102をSパラメータ(式501)を用いて書き直し、さらに被測定光の強度で規格化すると、Iは結局式1103のようになる。このことから、受光素子アレイで観測される光強度分布は、被測定光の偏光状態と波長板の角度の関数として表されることがわかる。従って、受光素子アレイで観測される一次元の光強度分布を解析することにより、逆に被測定光の偏光状態を特定できることがわかる。
A description will be given of the light intensity distribution observed in the light receiving element array when the light to be measured is incident on this "rotating phaser type" ellipsometer. When the polarization state of the light to be measured is expressed by the amplitude (Ax, Ay) and the phase difference (Δ) of the two electric field components, the Jones vector (u) of the light transmitted through the wave plate having the principal axis angle θ and the polarizer is shown in FIG.
上記の議論をより一般化して、波長板アレイの各波長板の位相差をα、偏光子の主軸角度をφとおいた場合について考える。被測定光の偏光状態を楕円率(ε)と傾き(γ)で表す場合、主軸角度θの波長板(位相差:α)と主軸角度φの偏光子を透過後の光の偏光状態は図11の式1201のように表せる。これより、受光素子アレイで観測される光強度I(規格化後)は、式1202のようになる。(ただし、2φ=Φ、2θ=Θと置き換えた。)この場合も、受光素子アレイで観測される光強度分布は、被測定光の偏光状態と波長板の主軸角度との関数として表される。ここで、Φおよびαは装置によって決まる定数であるため、観測される光強度Iは結局、DC成分と2つの周波数成分で表現できることがわかる。したがって例えば、受光素子アレイで観測される一次元の光強度分布をフーリエ変換し、DC成分の大きさと2つの周波数成分(X、Y)の振幅と位相の値を求めることができれば、εとγの値、つまり被測定光の偏光状態を知ることができる。
To further generalize the above discussion, let us consider the case where the phase difference of each wave plate of the wave plate array is α and the principal axis angle of the polarizer is φ. When the polarization state of the light to be measured is expressed by ellipticity (ε) and inclination (γ), the polarization state of the light after passing through a wave plate (phase difference: α) with a principal axis angle θ and a polarizer with a principal axis angle φ is shown in FIG. 11 can be expressed as
先の「回転検光子型」の偏光解析装置では右回りと左回りの区別ができなかったのに対し、「回転位相子型」の偏光解析装置では全ての偏光状態の判別が可能である。つまり、式1103や式1202からわかるように、受光素子アレイで観測される一次元の光強度分布からすべてのSパラメータの値、またはεとγの値を完全に求められることがわかる。また、一般的に波長板の位相差(リターデーション)は波長依存性を持つため、「回転位相子型」の偏光解析装置では位相差の補正が必要になる。これについても本発明の偏光解析装置では、観測される強度分布から式1202を利用して、波長板の位相差の値(α)を数学的に求めることができる。具体的には、観測される一次元の光強度分布をフーリエ解析し、式1202で表される各周波数成分の振幅と位相の値を求めることにより、波長板の位相差(α)の値を求め、自己補正することが可能である。
The previous “rotation analyzer type” ellipsometer could not distinguish between clockwise and counterclockwise, whereas the “rotary phaser type” ellipsometer could distinguish all polarization states. That is, as can be seen from
ここまでに述べてきた偏光解析装置では、被測定光がレーザなどの単色光であるか、または被測定光の偏光状態に波長依存性がない場合を前提としていた。しかしながら、実際のエリプソメトリでは、薄膜からの反射光の偏光状態は波長に大きく依存することが知られている。この偏光状態の波長依存性を利用して、薄膜の光学定数や膜厚を正確に求める手法が分光エリプソメトリである。近年の半導体デバイス技術や光デバイス技術の進歩に伴い、各種の薄膜形成に要求される精度は年々厳しくなっており、製品開発や品質管理の現場においても、分光エリプソメトリの必要性は高まっている。 In the ellipsometer described so far, it is assumed that the light to be measured is monochromatic light such as a laser or the polarization state of the light to be measured has no wavelength dependency. However, in actual ellipsometry, it is known that the polarization state of the reflected light from the thin film greatly depends on the wavelength. Spectroscopic ellipsometry is a technique for accurately obtaining the optical constant and film thickness of a thin film by utilizing the wavelength dependence of the polarization state. With recent advances in semiconductor device technology and optical device technology, the accuracy required for various thin film formations has become stricter year by year, and the need for spectroscopic ellipsometry is increasing in the field of product development and quality control. .
本発明の偏光解析装置において受光素子アレイで観測される光強度分布は、偏光子または波長板の主軸角度についての一次元情報である。したがって、これまでに述べた偏光解析装置の偏光子アレイおよび波長板アレイの形状と配列を工夫して、何らかの分散デバイスと組み合わせることができれば、例えば偏光情報と波長情報をそれぞれ縦軸・横軸の2次元情報として受光素子アレイで一括して測定することができるような分光エリプソメータを実現することも可能となる。以下に、「回転検光子型」と「回転位相子型」のそれぞれの偏光解析装置について、分光エリプソメータの構成を説明する。 The light intensity distribution observed by the light receiving element array in the ellipsometer of the present invention is one-dimensional information about the principal axis angle of the polarizer or the wave plate. Therefore, if the shape and arrangement of the polarizer array and the wave plate array of the ellipsometer described so far are devised and combined with any dispersive device, for example, the polarization information and the wavelength information are respectively displayed on the vertical axis and the horizontal axis. It is also possible to realize a spectroscopic ellipsometer that can be collectively measured with a light receiving element array as two-dimensional information. The configuration of the spectroscopic ellipsometer will be described below for each of the “rotating analyzer type” and “rotating phaser type” ellipsometers.
まず、請求項5で示した「回転検光子型」の分光偏光解析装置の構成例を図12に示す。偏光子アレイ1301は、主軸角度の違う複数の偏光子領域を1列(ストライプ状)に配列したものである。偏光子アレイの各偏光子領域のサイズや主軸角度の範囲および配列順は任意であるが、各領域は図のように決められた方向に一列に配置されていなくてはならない。このような偏光子アレイの後方に受光素子アレイ1302に配置されており、それぞれの偏光子を透過した光強度を一括して測定できる構成となっている。この場合、被測定光として白色光(スペクトル幅の広い光)を用いる。被測定光は回折格子1303で分散を受け、波長毎に偏光子アレイ1301の所定の位置へ到達する。このとき、回折格子1303による波長の分散方向と、偏光子アレイ1301の配列方向が直交するように、各素子を配置することが重要である。以上のような構成により、受光素子アレイでは、被測定光の偏光情報と波長情報を2次元データとして、瞬時に計測することが可能となる。
First, a configuration example of the “rotating analyzer type” spectroscopic ellipsometer shown in
図12のような分光偏光解析装置で観測される光強度分布は、既に説明した式803や式903で与えられる光強度分布を波長毎に並べたものとなる。つまり、偏光子アレイの配列方向(x軸方向)には特定の波長における偏光状態を示す強度分布が得られ、それと直交する方向(y軸方向)には偏光状態のスペクトルが得られることになる。光源の波長範囲、つまり測定するスペクトルの範囲は、対象とする試料によって最適なものを選べばよい。
The light intensity distribution observed by the spectroscopic ellipsometer as shown in FIG. 12 is obtained by arranging the light intensity distributions given by
次に、請求項6で示した「回転位相子型」の分光偏光解析装置の構成例と図13に示す。波長板アレイ1401は、主軸角度の違う複数の波長板(理想的には1/4波長板)領域を1列(ストライプ状)に配列したものである。波長板アレイの各波長板領域のサイズや主軸角度の範囲および配列順は任意であるが、各領域は図のように決められた方向に一列に配列されていなくてはならない。このような波長板アレイと、主軸方向が一定な偏光子1402が重なるように配置され、その後方に受光素子アレイ1403が配置されている。従って受光素子アレイでは、それぞれの波長板と偏光子を共に通過した光の強度分布を一括して測定することができる。被測定光は白色光であり、回折格子1404で分散を受けてから、波長成分ごとに波長板アレイ1401の特定の領域に到達する。このとき、回折格子1404による波長分散の方向と、波長板アレイ1301の配列方向が直交するように、各素子を配列することが重要である。以上のような構成により、受光素子アレイでは、被測定光の偏光情報と波長情報を2次元データとして、瞬時に測定することが可能となる。
Next, a configuration example of the “rotating phaser type” spectroscopic ellipsometer shown in
図13のような分光偏光解析装置で観測される光強度分布は、既に説明した式1103や式1202で与えられる光強度分布を波長毎に並べたものとなる。つまり、波長板アレイの配列方向(x軸方向)には特定の波長における偏光状態を示す強度分布が得られ、それと直交する方向(y軸方向)には偏光状態のスペクトルが得られることになる。光源の波長範囲、つまり測定するスペクトルの範囲は、対象とする試料によって最適なものを選べばよい。
The light intensity distribution observed by the spectroscopic ellipsometer as shown in FIG. 13 is obtained by arranging the light intensity distributions given by
分光エリプソメトリで計測される、偏光状態(Ψ、Δ)と波長(または光エネルギー)との関係(スペクトル)は、例えは図14(a)のような光学モデルを立てることによって理論的に求めることができる。この例では、基板1501上に第1薄膜層1502と第2薄膜層1503、第3薄膜層1404が成膜されており、表面に角度ξで光が入射している。このような場合に試料から反射された光の偏光状態は、例えばF行列計算(非特許文献3)などによって正確に求めることが可能である。計算によって得られるΨとΔのスペクトルの例(イメージ図)を図14(b)に示す。これを利用して、実験で得られるスペクトルと理論値とを比較・解析することにより、試料表面の各薄膜層の光学定数や膜厚を正確に求めることが出来るのである(非特許文献2)。
The relationship (spectrum) between the polarization state (Ψ, Δ) and the wavelength (or light energy) measured by spectroscopic ellipsometry is theoretically obtained by, for example, creating an optical model as shown in FIG. be able to. In this example, a first
(実施例1)
分光エリプソメトリにおいては、薄膜試料の光学定数や膜厚さらには表面粗さなどを高精度に評価するために、測定を行う波長範囲は一般的に広いほうが望ましい。例えば従来の分光エリプソ装置では、可視光から赤外光まで、あるいは紫外光から赤外光まで、といった広い波長範囲にわたる偏光解析が可能となっているものが多い。一方、自己クローニング型フォトニック結晶偏光子やフォトニック結晶波長板の透過波長帯域は、これまでのところ数百nm程度が限界であり、それほど広いとは言えない。したがって、フォトニック結晶偏光子アレイやフォトニック結晶波長板アレイを使用する本発明の分光偏光解析装置についても、使用可能な波長帯域に制限があることになる。
(Example 1)
In spectroscopic ellipsometry, in order to evaluate the optical constant, film thickness, and surface roughness of a thin film sample with high accuracy, it is generally desirable that the wavelength range for measurement be wide. For example, many conventional spectroscopic ellipsometers can perform polarization analysis over a wide wavelength range from visible light to infrared light, or from ultraviolet light to infrared light. On the other hand, the transmission wavelength band of self-cloning photonic crystal polarizers and photonic crystal wave plates has been limited to several hundreds of nanometers so far, and cannot be said to be so wide. Therefore, the spectroscopic ellipsometer of the present invention using a photonic crystal polarizer array or a photonic crystal wave plate array is also limited in the usable wavelength band.
フォトニック結晶における上記の問題を解決し、広い波長帯域での偏光解析を可能とする「回転検光子型」の偏光解析装置の構成例を図15に示す。偏光子アレイ1601は、主軸角度が少しずつ違う複数の領域をx軸方向に配列するだけでなく、透過波長帯域の違う複数の領域をy軸方向に配列することによって構成されている。例えば、図の偏光子アレイ1601は、紫外(UV)、青(B)、緑(G)、赤(R)、赤外(IR)の各波長域に対応した5つの偏光子アレイを一体化したものである。このような偏光子アレイと受光素子アレイ1602を組み合わせることにより、広い波長範囲にわたる偏光情報の取得が可能となる。フォトニック結晶偏光子の透過波長帯域は、基板の凹凸パターンの制御によって任意に設計できるため、図のような偏光子アレイもそれほど困難なく製作可能である。波長範囲(光源)は、測定したい試料によって最適に選べばよい。 FIG. 15 shows a configuration example of a “rotating analyzer type” ellipsometer that solves the above-described problems in the photonic crystal and enables ellipsometry in a wide wavelength band. The polarizer array 1601 is configured not only by arranging a plurality of regions with slightly different principal axis angles in the x-axis direction but also by arranging a plurality of regions with different transmission wavelength bands in the y-axis direction. For example, the polarizer array 1601 shown in the figure integrates five polarizer arrays corresponding to each wavelength region of ultraviolet (UV), blue (B), green (G), red (R), and infrared (IR). It is a thing. By combining such a polarizer array and the light receiving element array 1602, polarization information over a wide wavelength range can be acquired. Since the transmission wavelength band of the photonic crystal polarizer can be arbitrarily designed by controlling the concavo-convex pattern of the substrate, a polarizer array as shown in the figure can be manufactured without much difficulty. The wavelength range (light source) may be optimally selected depending on the sample to be measured.
(実施例2)
「回転位相子型」の偏光解析装置について、広い波長帯域での偏光解析を可能とする構成例を図16に示す。波長板アレイ1701は、主軸角度が少しずつ違う複数の領域をx軸方向に配列するだけでなく、透過波長帯域の違う領域をy軸方向に配列することによって構成されている。先ほどの例と同様に、波長板アレイ1701は、紫外(UV)、青(B)、緑(G)、赤(R)、赤外(IR)の各波長域に対応した5つの波長板アレイを一体化したものであるとする。もう1つの偏光子1702についても、必要であれば領域毎に透過波長帯域を変えればよい。このような波長板アレイと偏光子および受光素子アレイ1703を組み合わせることにより、広い波長範囲にわたる偏光情報の取得が可能となる。フォトニック結晶波長板の透過波長帯域は、基板の凹凸パターンの制御によって任意に設計できるため、図のような偏光子アレイもそれほど困難なく製作可能である。また、必要な波長範囲は試料に依存するため、光源やアレイの波長分割数は想定される試料に最適なものを選べばよい。
(Example 2)
FIG. 16 shows a configuration example that enables polarization analysis in a wide wavelength band for a “rotary phaser type” ellipsometer. The wave plate array 1701 is configured not only by arranging a plurality of regions with slightly different principal axis angles in the x-axis direction but also by arranging regions with different transmission wavelength bands in the y-axis direction. Similar to the previous example, the wave plate array 1701 includes five wave plate arrays corresponding to each wavelength region of ultraviolet (UV), blue (B), green (G), red (R), and infrared (IR). Are integrated. For the
(実施例3)
本発明の「回転位相子型」の偏光解析装置について、波長板アレイと偏光子アレイとを共にフォトニック結晶によって作成し、一体化した例を図17に示す。基板1801上にまずフォトニック結晶偏光子1803を積層させる。このとき、その最終層をやや厚めに堆積させることにより、表面の凹凸を平坦化させることができる。もちろん表面を研磨するなどの機械的手段を用いても良い。その後、表面に波長板アレイ用の凹凸パターンを再度形成し、フォトニック結晶波長板アレイ層1802を積層させることによって、2つの光学素子を一体化することが出来る。この偏光子一体型波長板アレイと受光素子アレイ1804を組み合わせることによって小型の偏光解析装置を実現することができる。
(Example 3)
FIG. 17 shows an example in which the wavelength plate array and the polarizer array are both made of a photonic crystal and integrated with the “rotary phaser type” ellipsometer of the present invention. First, a photonic crystal polarizer 1803 is stacked on a substrate 1801. At this time, the unevenness of the surface can be flattened by depositing the final layer slightly thicker. Of course, mechanical means such as polishing the surface may be used. Thereafter, the concave / convex pattern for the wave plate array is formed again on the surface, and the photonic crystal wave
(実施例4)
本発明の「回転位相子型」の偏光解析装置について、波長板アレイと偏光子アレイを一体化させるもう1つの例を図18に示す。この例では、基板1901の両面にそれぞれ偏光子層1903と波長板アレイ層1902を積層させることによって、一体化を実現している。パターンの位置合わせのためには、基板1901にSiO2などの透明基板を用い、位置合わせ用のマーカーを付けておけばよい。この偏光子一体型波長板アレイと受光素子アレイ1904と組み合わせることによって、小型の偏光解析装置を実現できる。
Example 4
FIG. 18 shows another example of integrating the wave plate array and the polarizer array in the “rotary phaser type” ellipsometer of the present invention. In this example, integration is realized by laminating a
(実施例5)
本発明の「回転位相子型」の偏光解析装置では、波長板アレイと偏光子との2つの平面デバイスを使用するため、両者の間における光の多重反射が問題になることがある。この問題を解決する方法として、波長板アレイと偏光子の間に吸収体を挿入した例を図19に示す。図19は波長板アレイ2001と偏光子2002、受光素子アレイ2003、および吸収体2004の断面を示した。これらの素子を貼り合わせたり、損失を有する基板の両面に各素子を作製したりすることによって一体化した場合も同様である。このような構成では、光の透過強度そのものが弱くなってしまうが、被測定光の強度はふつう光検出器の感度と比較して十分に強いと考えられるため、実用上の問題はない。偏光子2002で反射された光は、吸収層2004内を伝播するうちに吸収され次第に弱くなるため、再び反射されて検出器へ到達する成分を十分に小さくすることができる。
(Example 5)
Since the “rotary phaser type” ellipsometer of the present invention uses two planar devices, a wave plate array and a polarizer, multiple reflection of light between them may be a problem. As a method for solving this problem, an example in which an absorber is inserted between a wave plate array and a polarizer is shown in FIG. FIG. 19 shows a cross section of the
(実施例6)
本発明の「回転位相子型」の偏光解析装置において、波長板アレイと偏光子との間における光の多重反射を低減するもう1つの構成例を図20に示す。図20では波長板アレイ2101を、偏光子2102に対して若干傾けて配置してある。このような構成では、偏光子2102で反射された光が波長板アレイ2101で再び反射を受ける場合、反射光の進路が変わるため、多重反射を抑圧することが可能となり、受光素子アレイ2103で雑音の少ない信号を得ることができる。
(Example 6)
FIG. 20 shows another configuration example for reducing multiple reflection of light between the wave plate array and the polarizer in the “rotary phaser type” ellipsometer of the present invention. In FIG. 20, the wave plate array 2101 is arranged slightly tilted with respect to the polarizer 2102. In such a configuration, when the light reflected by the polarizer 2102 is reflected again by the wave plate array 2101, the path of the reflected light changes, so that multiple reflections can be suppressed, and noise is received by the light receiving
(実施例7)
本発明の偏光解析装置とレーザ光源を組み合わせることによって実現されるエリプソメータおよび分光エリプソメータの構成例を図21に示す。図21は本発明を用いたエリプソメータのほんの一例であり、本発明を用いてエリプソメータを実現する構成は他にも何通りも考えられる。本発明の偏光解析装置2203とレーザ光源2202が配置された装置の中央に、試料台2206が配置されている。レーザからの出射光の偏光状態は予め既知であるとする。試料台2206上に薄膜サンプル2201を設置し、レーザ光をサンプル上で集光させると同時に、反射光が平行ビームとなって偏光解析装置2203に達するように、レンズ対2204を調整する。サンプルからの反射光を、偏光解析装置2203で検出し、CPU2205によって測定される強度分布から反射光の偏光状態を算出する。エリプソメータでは、光の偏光状態をP波とS波の振幅強度比(Ψ)と位相差(Δ)で表すのが一般的である。通常は入射光として45゜の直線偏波光(Ψ=1、Δ=0)を用いられ、このときの反射光のΨ´およびΔ´を測定することになる。測定結果より、サンプルにおけるP波、S波のフレネル反射率(Rp、Rs)、つまりは薄膜の膜厚と屈折率を求めることができる。
(Example 7)
FIG. 21 shows a configuration example of an ellipsometer and a spectroscopic ellipsometer realized by combining the ellipsometer of the present invention and a laser light source. FIG. 21 is only an example of an ellipsometer using the present invention, and various other configurations for realizing an ellipsometer using the present invention are conceivable. A sample stage 2206 is arranged at the center of the apparatus where the ellipsometer 2203 and the
(実施例8)
本発明の偏光解析装置を蒸着やスパッタなどの薄膜形成プロセス中における膜厚/膜質モニタとして用いる例を図22に示す。真空チャンバ2306内に基板2301がセットされており、制御回路2305をコントロールすることによって物質源2307が基板上に成膜されるようなプロセス装置を考える。この成膜装置のチャンバ内に光源2302と本発明の偏波解析装置2303を図のように設置し、基板からの反射光を検出する。図では小型の光源をチャンバ内に設置したが、光源をチャンバの外部に配置し、光ファイバなどを用いて光をチャンバ内へ導くことも可能である。偏光解析装置2003からの信号はCPU2304で解析され、光の強度分布から成膜中の薄膜の膜厚と屈折率がリアルタイムに知ることができる。
(Example 8)
An example in which the ellipsometer of the present invention is used as a film thickness / film quality monitor during a thin film forming process such as vapor deposition or sputtering is shown in FIG. Consider a process apparatus in which a substrate 2301 is set in a vacuum chamber 2306 and a material source 2307 is formed on the substrate by controlling a control circuit 2305. A
このような薄膜形成プロセス中におけるリアルタイムの膜厚/膜質モニタは、高精度な成膜管理に極めて有用である。つまり、モニタした膜厚や膜質の情報を装置へフィードバックすることにより、厳密な成膜管理を行うことも可能となるのである。従来のエリプソメータは大型で高価な装置であったため、このようにプロセス装置と組み合わせて使用することは困難であった。これに対し本発明は、小型かつ低価格なエリプソメータまたは分光エリプソメータが実現可能なため、真空プロセスのIn−Situモニタとして極めて有望であると言える。また先にも述べたように、本発明の偏光解析装置では光強度の絶対値の情報は必要とせず、相対的な強度分布のみで偏光状態の判別ができる。したがって、成膜物質の窓への付着等による光の強度変動に影響されることなくモニタリングが可能である。 Such a real-time film thickness / film quality monitor during the thin film formation process is extremely useful for highly accurate film formation management. In other words, the information on the monitored film thickness and film quality is fed back to the apparatus, thereby making it possible to perform strict film formation management. Since the conventional ellipsometer is a large and expensive apparatus, it has been difficult to use it in combination with the process apparatus. On the other hand, the present invention is very promising as an in-situ monitor for a vacuum process because a small and inexpensive ellipsometer or spectroscopic ellipsometer can be realized. As described above, the ellipsometer of the present invention does not require information on the absolute value of the light intensity, and the polarization state can be determined only by the relative intensity distribution. Therefore, monitoring is possible without being affected by fluctuations in light intensity due to adhesion of the film-forming substance to the window.
101 パターン付き基板
102 高屈折率材料層
103 低屈折率材料層
201 TE波を反射し、TM波を透過させる偏光子の動作をする周波数領域
202 TE波を透過し、TM波を反射させる偏光子の動作をする周波数領域
203 TE波もTM波を透過させる波長板として動作する周波数領域
301 光の偏光状態を表現する式
302 エリプソメトリ角と偏光状態との関係を表す式
501 Sパラメータの定義式
502 各Sパラメータ間の関係式
601 光の楕円率と楕円の傾きで偏光状態を表現する式
701 主軸方向が違う複数の偏光子を一体化した偏光子アレイ
702 受光素子アレイ
801 偏光子を通過後の偏光状態を表すジョーンズベクトルの計算式(その1)
802 「回転検光子型」の偏光解析装置において観測される光強度分布を表す式(1)
803 「回転検光子型」の偏光解析装置において観測される光強度分布を表す式(2)
901 偏光子を通過後の偏光状態を表すジョーンズベクトルの計算式(その2)
902 「回転検光子型」の偏光解析装置において観測される光強度分布を表す式(3)
903 「回転検光子型」の偏光解析装置において観測される光強度分布を表す式(4)
1001 主軸方向が違う複数の波長板を一体化した波長板アレイ
1002 偏光子
1003 受光素子アレイ
1101 波長板と偏光子を通過後の偏光状態を表すジョーンズベクトルの式(その1)
1102 「回転位相子型」の偏光解析装置において観測される光強度分布を表す式(1)
1103 「回転位相子型」の偏光解析装置において観測される光強度分布を表す式(2)
1201 波長板と偏光子を通過後の偏光状態を表すジョーンズベクトルの式(その2)
1202 「回転位相子型」の偏光解析装置において観測される光強度分布を表す式(3)
1301 偏光子アレイ
1302 受光素子アレイ
1303 回折格子
1401 波長板アレイ
1402 偏光子
1403 受光素子アレイ
1404 回折格子
1501 基板
1502 第1薄膜層
1503 第2薄膜層
1504 第3薄膜層
1601 波長帯域の異なる複数の偏光子アレイを一体化させた偏光子アレイ
1602 受光素子アレイ
1603 回折格子
1701 波長帯域の異なる複数の波長板アレイを一体化させた偏光子アレイ
1702 波長帯域の異なる複数の偏光子を一体化させた偏光子アレイ
1703 受光素子アレイ
1704 回折格子
1801 基板
1802 波長板アレイ層
1803 偏光子層
1901 基板
1902 波長板アレイ層
1903 偏光子層
2001 波長板アレイ
2002 偏光子
2003 受光素子アレイ
2004 吸収層
2101 波長板アレイ
2102 偏光子
2103 受光素子アレイ
2201 被測定試料
2202 光源
2203 本発明の偏光解析装置
2204 光軸調整用レンズ
2205 データ解析用CPU
2206 試料台
2301 基板
2302 光源
2303 本発明の偏光解析装置
2304 データ解析用CPU
2305 成膜制御回路
2306 チャンバ
2307 物質源
DESCRIPTION OF
802 Expression (1) representing the light intensity distribution observed in the “rotating analyzer type” ellipsometer
803 Formula (2) representing the light intensity distribution observed in the “rotating analyzer type” ellipsometer
901 Formula for Jones vector representing polarization state after passing through polarizer (Part 2)
902 Expression (3) representing the light intensity distribution observed in the “rotating analyzer type” ellipsometer
903 Expression (4) representing the light intensity distribution observed in the “rotating analyzer type” ellipsometer
1001 Wavelength plate array 1002 in which a plurality of waveplates having different main axis directions are integrated 1002 Polarizer 1003 Light receiving
1102 Expression (1) representing a light intensity distribution observed in a “rotary phaser type” ellipsometer
1103 Expression (2) representing the light intensity distribution observed in the “rotary phaser type” ellipsometer
1201 Jones vector equation representing polarization after passing through wave plate and polarizer (Part 2)
1202 Expression (3) representing the light intensity distribution observed in the “rotary phaser type” ellipsometer
1301
2206 Sample stage 2301
2305 Deposition control circuit 2306 Chamber 2307 Material source
Claims (6)
5. The ellipsometer according to claim 3, further comprising a wave plate array in which a plurality of wave plate regions having different main axis directions are arranged in a stripe shape, and a dispersion device that separates light to be measured for each wavelength or frequency component The dispersion device and the polarization analysis so that the measured light is dispersed in the direction orthogonal to the arrangement direction of the wave plate array by the dispersion device and then incident on the wave plate array By obtaining a two-dimensional information about the relationship between the polarization state of the light to be measured and the wavelength by measuring the light intensity distribution after being transmitted through the wave plate array and the polarizer with the light receiving element array. A spectroscopic ellipsometer characterized by.
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Cited By (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008244448A (en) * | 2007-02-21 | 2008-10-09 | Asml Netherlands Bv | Inspection method and apparatus, lithographic apparatus, and lithographic cell |
JP2009156712A (en) * | 2007-12-26 | 2009-07-16 | Photonic Lattice Inc | Polarization measuring device and measuring system |
EP2136198A1 (en) * | 2008-06-18 | 2009-12-23 | Ricoh Company, Ltd. | Image pickup and method of detecting road status. |
JP2010197370A (en) * | 2009-02-02 | 2010-09-09 | Takaoka Electric Mfg Co Ltd | Optical application measuring device |
JP2010243463A (en) * | 2009-04-10 | 2010-10-28 | Ricoh Co Ltd | Stereo camera and vehicle-outside monitor |
US9488568B2 (en) | 2013-12-13 | 2016-11-08 | Otsuka Electronics Co., Ltd. | Polarization analysis apparatus |
JP2017032409A (en) * | 2015-07-31 | 2017-02-09 | 凸版印刷株式会社 | Three-dimensional shape measurement device, three-dimensional shape measurement method and thin film measurement device |
KR20200109264A (en) * | 2019-03-12 | 2020-09-22 | 식아게 | A light line triangulation apparatus |
JP2021503181A (en) * | 2017-11-15 | 2021-02-04 | ケーエルエー コーポレイション | Automatic optimization of measurement accuracy through advanced machine learning technology |
WO2021106573A1 (en) * | 2019-11-29 | 2021-06-03 | 日本碍子株式会社 | Joined body comprising piezoelectric material substrate and support substrate |
JP2022504731A (en) * | 2018-10-12 | 2022-01-13 | ジェイ・エイ・ウーラム・カンパニー・インコーポレイテッド | Snapshot ellipsometer |
WO2022091622A1 (en) * | 2020-10-30 | 2022-05-05 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Light receiving device |
KR102515593B1 (en) * | 2022-04-22 | 2023-03-30 | 한밭대학교 산학협력단 | Semiconductor Inspection Device using Single-Shot Ellipsometry |
-
2004
- 2004-04-23 JP JP2004127923A patent/JP2005308612A/en active Pending
Cited By (18)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008244448A (en) * | 2007-02-21 | 2008-10-09 | Asml Netherlands Bv | Inspection method and apparatus, lithographic apparatus, and lithographic cell |
JP2009156712A (en) * | 2007-12-26 | 2009-07-16 | Photonic Lattice Inc | Polarization measuring device and measuring system |
EP2136198A1 (en) * | 2008-06-18 | 2009-12-23 | Ricoh Company, Ltd. | Image pickup and method of detecting road status. |
JP2010197370A (en) * | 2009-02-02 | 2010-09-09 | Takaoka Electric Mfg Co Ltd | Optical application measuring device |
JP2010243463A (en) * | 2009-04-10 | 2010-10-28 | Ricoh Co Ltd | Stereo camera and vehicle-outside monitor |
US9488568B2 (en) | 2013-12-13 | 2016-11-08 | Otsuka Electronics Co., Ltd. | Polarization analysis apparatus |
JP2017032409A (en) * | 2015-07-31 | 2017-02-09 | 凸版印刷株式会社 | Three-dimensional shape measurement device, three-dimensional shape measurement method and thin film measurement device |
JP2021503181A (en) * | 2017-11-15 | 2021-02-04 | ケーエルエー コーポレイション | Automatic optimization of measurement accuracy through advanced machine learning technology |
JP7316274B2 (en) | 2017-11-15 | 2023-07-27 | ケーエルエー コーポレイション | Automatic optimization of measurement accuracy through advanced machine learning technology |
JP2022504731A (en) * | 2018-10-12 | 2022-01-13 | ジェイ・エイ・ウーラム・カンパニー・インコーポレイテッド | Snapshot ellipsometer |
KR20200109264A (en) * | 2019-03-12 | 2020-09-22 | 식아게 | A light line triangulation apparatus |
KR102341537B1 (en) * | 2019-03-12 | 2021-12-20 | 식아게 | A light line triangulation apparatus |
WO2021106573A1 (en) * | 2019-11-29 | 2021-06-03 | 日本碍子株式会社 | Joined body comprising piezoelectric material substrate and support substrate |
JPWO2021106573A1 (en) * | 2019-11-29 | 2021-12-02 | 日本碍子株式会社 | A joint between a piezoelectric material substrate and a support substrate |
US11791796B2 (en) | 2019-11-29 | 2023-10-17 | Ngk Insulators, Ltd. | Bonded body of piezoelectric material substrate and supporting substrate |
WO2022091622A1 (en) * | 2020-10-30 | 2022-05-05 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Light receiving device |
KR102515593B1 (en) * | 2022-04-22 | 2023-03-30 | 한밭대학교 산학협력단 | Semiconductor Inspection Device using Single-Shot Ellipsometry |
WO2023204679A1 (en) * | 2022-04-22 | 2023-10-26 | 한밭대학교 산학협력단 | Semiconductor inspection device using single-imaging spectroscopic ellipsometry |
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