JP2006047015A - 光学特性解析方法、試料測定装置、及び分光エリプソメータ - Google Patents

Abstract

【課題】 電圧を印可した試料に偏光した状態の光を入射し、試料で反射した光の測定に基づき電気光電効果の評価を行う。
【解決手段】 分光エリプソメータ１はステージ４に載置した試料３０に給電装置１８及び導通スタンド１９により電圧を印可し、キセノンランプ９で発生させた多波長の光を光照射器５で偏光状態にして試料３０へ照射する。試料３０は基板の上に多層膜及び電極を設けており、試料３０で反射した光を光取得器５で取り込んで分光器７で測定する。コンピュータ１０は、測定結果及び試料３０に応じて作成したモデルからの算出値に基づき試料３０の光学特性を多層膜の層毎に分けて解析する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多層膜構造の材料の電気光学効果の評価を行うために、電圧を印可した状態で多層膜の光学特性を解析できるようにした光学特性解析方法、試料測定装置、及び分光エリプソメータに関する。

従来、基板上に高誘電体膜又は強誘電体膜が形成された物質は、強誘電体メモリ、強誘電体キャパシタ、アクチュエータ等の圧電素子、並びに、光シャッター及び光アイソレータ等の電気光学素子等の材料として用いられている。このような材料の膜の特性を特定することはメモリ性能等を左右する上で非常に重要であり、膜の特性評価のために、例えば、電気光学効果として知られている電界を印可した状態で変化する屈折率、及び透過率等の測定が行われる。

図９は、従来の電気光学効果の測定方法を示す概略図である。この測定方法では、基板Ｓ１の上に膜Ｓ２を形成した試料Ｓの表面に角錐状のプリズムカップリングＰを載置し、試料Ｓに所要の電界を印可した状態でプリズムカップリングＰに光を照射し、プリズムカップリングＰにより試料Ｓへ投射された光の屈折率を所要の測定装置で測定するものである。
なお、電気光学効果の測定に関しては下記の特許文献でも開示されている。
特開昭６３−２０５５４３号公報 特開平１−４１８３８号公報

図９に示す従来の測定方法では、試料Ｓの表面にプリズムカップリングＰを載置して測定するため、少なくともプリズムカップリングＰを載置できる寸法を有する大型の試料Ｓを準備しなければならないと云う問題がある。また、プリズムカップリングＰと試料Ｓとの境界で無用な屈折を生じさせないために、プリズムカップリングＰを載置する試料Ｓの表面を所要の平滑度になるまで研磨する必要があり、試料Ｓの準備に手間を要すると云う問題がある。

さらに、従来の測定方法では、プリズムカップリングＰにより光が投射される箇所に対して測定が行われるため、屈折率が試料Ｓの面全体的にどのように分布するかと云ういわゆる屈折率の面分布測定を行うことが非常に困難になると云う問題がある。また、特許文献１及び２に係る方法を用いたとしても、屈折率の面分布測定を行うには試料における光の照射箇所を移動させる必要があるため手間及び時間を要し、容易に測定を行えない。

一方、測定対象となる試料が、基板上に高誘電体膜又は強誘電体膜を形成した物質である場合、高誘電体膜又は強誘電体膜の形成に伴って未知の膜が基板上に自然と形成され、結果としては多層膜構造（複数層を有する構造）になることが報告されている。このような多層膜の特性を膜層毎に区別して測定することは、物質を強誘電体メモリ又は強誘電体キャパシタ等の材料として利用することを考慮すると、非常に重要である。しかし、図９に示す従来の測定方法では膜層毎の測定は行えず、また、特許文献１及び２に係る方法でも正確に測定を行うことが困難である。

本発明は、斯かる問題に鑑みてなされたものであり、多層膜の試料の特性を膜層毎に解析できる分光エリプソメータ等の装置を用いて電界の印可時の試料の光学特性を膜層毎に正確に解析できるようにした光学特性解析方法、試料測定装置、及び分光エリプソメータを提供することを目的とする。
また、本発明は、電界を印可したまま試料を移動可能にすることで、試料の屈折率の面分布を容易に解析できるようにした光学特性解析方法、及び分光エリプソメータを提供することを目的とする。
さらに、本発明は、電界の強さの変化に連動して効率的に試料を解析できるようにした光学特性解析方法、及び分光エリプソメータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、第１発明に係る光学特性解析方法は、複数層の膜を備える試料の光学特性を分光エリプソメータで解析する光学特性解析方法であって、試料に電圧を印可する第１ステップと、電圧が印可された試料の膜表面へ複数波長成分の偏光した光を照射する第２ステップと、試料で反射した光の偏光状態を測定して試料の膜の光学特性を層毎に解析する第３ステップとを備えることを特徴とする。

第２発明に係る光学特性解析方法は、複数層の膜及び複数の電極を備え、複数の電極の中に膜を覆う光透過性の電極を有する試料の光学特性を分光エリプソメータで解析する光学特性解析方法であって、試料の電極間に電圧を印可する第１ステップと、電圧が印可された試料の光透過性の電極表面へ複数波長成分の偏光した光を照射する第２ステップと、試料で反射した光の偏光状態を測定して試料の膜の光学特性を層毎に解析する第３ステップとを備えることを特徴とする。

第３発明に係る光学特性解析方法は、前記第１ステップでは、印可する電圧の値を変化し、変化した電圧の値毎に前記第２ステップ及び第３ステップを行うことを特徴とする。
第４発明に係る光学特性解析方法は、前記第２ステップでは、光を照射する箇所を順次移動し、前記第３ステップでは、移動した箇所毎に光学特性を解析することを特徴とする。

第５発明に係る試料測定装置は、複数波長成分を有する光を発生する発生手段と、該発生手段が発生した光を偏光して試料台に載置する試料へ照射する照射手段と、試料で反射した光を検光して測定を行う測定手段とを備える試料測定装置であって、前記試料台に載置される試料へ電圧を印可する電圧印可手段を備え、前記照射手段は、前記該電圧印可手段が電圧を印可した試料へ光を照射するようにしてあることを特徴とする。

第６発明に係る分光エリプソメータは、試料台に載置する試料へ偏光した光を照射して、試料で反射した光の偏光状態の測定に基づき試料の特性を解析する分光エリプソメータにおいて、前記試料台に載置される試料へ電圧を印可する電圧印可手段を備え、該電圧印可手段が電圧を印可した試料へ光を照射して解析を行うようにしてあることを特徴とする。

第７発明に係る分光エリプソメータは、前記電圧印可手段は、試料との電気的な接触を行う接触手段と、該接触手段への給電を行う給電手段とを備え、前記給電手段は、給電に係る電圧値を変化することが可能にしてあることを特徴とする。
第８発明に係る分光エリプソメータは、前記給電手段が変化した電圧値毎に試料を解析する手段を備えることを特徴とする。

第９発明に係る分光エリプソメータは、前記試料台の移動を行う移動手段を備え、前記接触手段は、前記試料台に設けてあることを特徴とする。
第１０発明に係る分光エリプソメータは、前記移動手段が行う移動毎に試料を解析する手段を備えることを特徴とする。

第１発明、及び第６発明にあっては、電圧を印可した試料を分光エリプソメータにより解析するので、試料が有する複数層の膜の光学特性を層毎に解析できる。その結果、従来の測定方法では測定が困難であった多層膜構造の試料の電気光学効果を層毎に評価できるようになり、高誘電体膜又は強誘電体膜の形成に伴って生じる未知の膜も他の膜と区別して解析でき、強誘電体メモリ、強誘電体キャパシタ、圧電素子、及び電気光学素子等の材料の研究及び製造等に貢献できる。

第２発明にあっては、複数層の膜を覆う光透過性の電極を有する試料に対しては、光透過性の電極表面へ光を照射するので、光を照射する角度及び箇所の自由度が向上し、効率的な解析処理を行える。なお、光透過性の電極としては、光を透過させる透明電極、厚み寸法を非常に薄くして光を透過できるようにした電極等が該当する。

第３発明、及び第８発明あっては、印加する電圧の値を変化させて、変化した値毎に解析を行うので、発生する電界の強さと電気光学効果との対応関係を効率的に解析でき、その結果、試料の電界に応じた光学特性を容易に解析できるようになる。
第４発明、及び第１０発明にあっては、光を照射する箇所を順次移動して、移動した箇所毎に解析を行うので、従来の測定方法では困難であった試料の複数箇所を連続的に解析でき、その結果、試料の面分析を容易に行えるようになる。

第５発明にあっては、複数波長成分を有する光を試料へ照射して測定を行う試料測定装置に、試料へ電圧を印可する電圧印可手段を設けることにより、電圧が印可された状態の試料の測定を行えるようになり、従来の測定方法では測定が困難であったもの、例えば、多層膜構造の試料の電気光学効果を膜層毎に評価も行えるようになり、強誘電体メモリ、強誘電体キャパシタ、圧電素子、及び電気光学素子等の材料の研究及び製造等に貢献できる。

第７発明にあっては、試料との電気的な接触を行う接触手段と、給電に係る電圧値を可変する給電手段とを備えるので、様々な電圧値で試料の解析を行えるようになり、試料の特性を詳細に解析できる。
第９発明にあっては、試料台を移動可能にすると共に、試料台に試料との電気的な接触を行う接触手段を設けることで、接触手段を試料台と一体的に移動できるようになり、試料台の移動により試料へ光を照射する箇所を変更しても電気的な接触を維持でき、良好な解析環境を提供できる。

第１発明、及び第６発明にあっては、電圧を印可した試料を分光エリプソメータにより解析するので、従来の測定方法では測定が困難であった多層膜構造の試料の電気光学効果を層毎に評価できる。
第２発明にあっては、複数層の膜を覆う光透過性の電極を有する試料に対して光透過性の電極表面へ光を照射することにより、試料の形態に応じた光の照射形態を確保できる。

第３発明、及び第８発明あっては、印加する電圧の値を変化させて、変化した値毎に解析を行うので、発生する電界の強さと電気光学効果との対応関係を効率的に解析できる。
第４発明、及び第１０発明にあっては、光を照射する箇所を順次移動して移動した箇所毎に解析を行うので、試料の複数箇所を連続的に解析して試料の面分析を容易に行える。

第５発明にあっては、試料へ電圧を印可する電圧印可手段を設けることにより、電圧が印可された状態の試料の測定を行えるようになり、多層膜構造の試料の電気光学効果を層毎に評価することに貢献できる。
第７発明にあっては、試料との電気的な接触を行う接触手段と、給電に係る電圧値を可変する給電手段とを備えるので、様々な電圧値で試料の解析を行える。
第９発明にあっては、試料台を移動可能にすると共に、試料台に試料との電気的な接触を行う接触手段を設けることで、接触手段を試料台と一体的に移動でき、試料台の移動により試料へ光を照射する箇所を変更しても電気的な接触を維持できる。

図１は本発明の実施形態に係る分光エリプソメータ１の全体的な構成を示す概略図である。分光エリプソメータ１は、多層膜構造の試料３０に電界を生じさせて偏光した光を照射することにより試料３０の光学特性を層毎に解析して電気光学効果の評価を行うものである。本実施形態の分光エリプソメータ１は、試料３０に電界を生じさせるため電圧を印可する電圧印可手段として給電装置１８及び一対の導通スタンド１９を具備する。

分光エリプソメータ１は、評価対象として様々な試料の解析が可能であるが、本実施形態では、図２（ａ）及び図３に示すように、蒸着でＰｔ（白金）膜を表面に設けたＳｉ（シリコン）基板３１の上にＰＬＺＴ膜３２を形成し、ＰＬＺＴ膜３２の膜表面にＩｒＯ₂ 製又はＷ（タングステン）製の電極３３ａ、３３ｂを設けた構造の試料３０を評価対象にする。ＰＬＺＴ膜３２は強誘電体膜であり、鉛（Ｐｂ）、ランタン（Ｌａ）、ジルコン（Ｚｒ）、及びチタン（Ｔｉ）を含み、詳しくはＰｂ_1-X Ｌａ_X （Ｚｒ_Y Ｔｉ_1-Y ）、Ｏ₃ （０＜Ｘ＜０．２８、０＜Ｙ＜１．０）として表記できる。また、ＰＬＺＴ膜３２の形成には、意図しない未知の膜層が追従して形成されるためＰＬＺＴ膜３２は多層膜構造になる。

具体的には図３に示すように、試料３０のＰＬＺＴ膜３２は、形成を意図したＰＬＺＴ系膜である第２膜３５と、第２膜３５に追従して形成されて従来の解析方法では膜特性を解析できなかった未知の第１膜３４と、第２膜の上方に形成した第３膜３６と云う計３層を有している。

図１に戻り本実施形態の分光エリプソメータ１の構成を説明する。分光エリプソメータ１は主に、測定及び解析系に係る部分、駆動系に係る部分、及び試料３０への電圧印可に係る部分に大別される。

測定及び解析系に係る部分として分光エリプソメータ１は、キセノンランプ２及び光照射器３を第１光ファイバケーブル１５ａで接続し、ステージ４（試料台）上に載置した試料３０へ偏光した状態の光を入射させると共に、試料３０で反射した光（光の偏光状態）を光取得器５で取り込む構成にしている。光取得器５は第２光ファイバケーブル１５ｂを介して分光器７に接続されており、分光器７は波長毎に測定を行い、測定結果をアナログ信号としてデータ取込機８へ伝送する。データ取込機８は、アナログ信号を所要値に変換してコンピュータ１０へ伝送し、コンピュータ１０で解析を行う。

また、駆動系に係る部分として分光エリプソメータ１は、ステージ４、光照射器３、光取得器５及び分光器７には、第１モータＭ１〜第６モータＭ６を夫々設けており、各モータＭ１〜Ｍ６の駆動を、コンピュータ１０と接続したモータ制御機９で制御することで、ステージ４、光照射器３、光取得器５及び分光器７を測定に応じて適宜移動可能にしている。なお、モータ制御機９は、コンピュータ１０から出力される指示に基づき各モータＭ１〜Ｍ６の駆動制御を行う。

さらに、電圧印可に係る部分として分光エリプソメータ１は、上述したようにステージ４の載置面４ａに取り付けて試料３０との電気的な接触を行う一対の導通スタンド１９（接触手段に相当）、及び給電装置１８（給電手段に相当）を設けている。給電装置１８が所要電圧値の給電を導通スタンド１９に対して行うことにより、試料３０に電圧が印可される。給電装置１８は、コンピュータ１０と接続されており、コンピュータ１０から出力される指示に基づき、電圧印可の開始及び終了、並びに印加する電圧値の設定及び変更等を行う。なお、分光エリプソメータ１は、試料３０の上方に移動可能な拡大鏡筒部１７を設けており、導通スタンド１９と試料３０との接触状態が適切であるかを拡大鏡筒部１７で確認できるようにしている。

次に、上述した各部２、３等を順番に詳述する。キセノンランプ２は光を発生する発生手段であり、光源として複数の波長成分を含む白色光を発生し、発生させた白色光を光照射器３へ第１光ファイバケーブル１５ａを介して送る。

光照射器３は半円弧状のレール６上に配置され、内部には偏光子３ａを有しており、白色光を偏光子３ａで偏光し、偏光状態の光を試料３０へ入射する。また、光照射器３は、第４モータＭ４が駆動されることでレール６に沿って移動し、照射する光の試料３０の表面の垂線に対する角度（入射角度φ）を調整できるようにしている。

ステージ４は移動レール部４に摺動可能に載置されており、第１モータＭ１〜第３モータＭ３（移動手段に相当）の駆動により試料３０を載置する載置面４ａにおいて９０度相異する方向であるＸ方向、Ｙ方向（図１の紙面に直交する方向）及び高さ方向となるＺ方向へ夫々移動可能にしている。ステージ４を移動することで、試料３０の様々な箇所に光を入射でき、試料３０の面分析が行える。なお、ステージ４は、一対の導通スタンド１９の取付用のネジ穴を載置面４ａに多数形成しており、試料３０の寸法及び形状に合わせて各導通スタンド１９を載置面４ａの所要箇所に取り付けられるようにしている。

光取得器５は光照射器３と同様にレール６上に配置されており、ＰＥＭ（Ｐｈｏｔｏ Ｅｌａｓｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：光弾性変調器）５ａ及び検光子５ｂを内蔵し、試料３０で反射された光をＰＥＭ５ａを介して検光子５ｂへ導いている。また、光取得器５は、第５モータＭ５の駆動によりレール６に沿って移動可能であり、光照射器３の移動に連動して反射角度φと入射角度φとが同角度になるようにモータ制御機９で制御されている。なお、光取得器５に内蔵されたＰＥＭ５ａは、取り込んだ光を所要周波数（例えば５０ｋＨｚ）で位相変調することにより直線偏光から楕円偏光を得ている。また、検光子５ｂは、ＰＥＭ５ａで位相変調された各種偏光の中から特定の偏光を透過させている。

分光器７は、反射ミラー、回折格子、フォトマルチプライヤー（ＰＭＴ：光電子倍増管）及び制御ユニット等を内蔵し、光取得器５から第２光ファイバケーブル１５ｂを通じて送られた光を反射ミラーで反射して回折格子へ導いている。回折格子は第６モータＭ６により角度を変更して、出射する光の波長を可変する。出射された光はＰＭＴで偏光状態が測定され、制御ユニットが測定された波長に応じたアナログ信号を生成してデータ取込機８へ送出する処理を行う。なお、フォトマルチプライヤーは、フォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）を組み合わせた構成にすることも可能である。

データ取込機８は、分光器７からの信号に基づき測定された反射光の偏光状態（ｐ偏光、ｓ偏光）の位相差Δ及び振幅比Ψを算出し、算出した結果をコンピュータ１０へ送出する。なお、位相差Δ及び振幅比Ψは、ｐ偏光の振幅反射係数Ｒｐ及びｓ偏光の振幅反射係数Ｒｓに対し以下の数式（１）の関係が成立する。
Ｒｐ／Ｒｓ＝ｔａｎΨ・ｅｘｐ（ｉ・Δ）・・・（１）
但し、ｉは虚数単位である（以下同様）。また、Ｒｐ／Ｒｓは偏光変化量ρと云う。

また、図３に示す導通スタンド１９は、四角柱状のスタンド部１９ａ、スタンド部１９ａの下端に設けられた板状の支持部１９ｂ、スタンド部１９ａに上下方向へ移動可能に取り付けられたホルダー部２１、及び試料３０と接触して導通するプローブ２０を備える。支持部１９ｂは周囲の隅に貫通穴が形成されており、貫通穴にボルトを挿通してステージ４の所要のネジ穴に螺合することで、導通スタンド１９がステージ４の載置面４ａに固定される。

図４に示すように、スタンド部１９ａは内部が空洞であると共にホルダー部２１の取り付け側の面に所要幅で開口したスリット部１９ｃを垂直方向に形成し、このスリット部１９ｃの端面に凸状のレール部１９ｄを設けている。また、ホルダー部２１は短角棒状であり、スタンド部１９ａのスリット部１９ｃに一端部２１ｄ側が圧入気味に嵌合している。具体的にホルダー部２１は、一端部２１ｄ側の外周に凹部２１ｅを形成しており、この凹部２１ｅをスリット部１９ｃのレール部１９ｄに嵌合することで、レール部１９ｄに沿って上下に摺動できる構造にしている。

ホルダー部２１も内部は空洞であり、プローブ２０の取り付け側となる他端部２１ａの端面から球状に凹設した球状窪部２１ｂを形成し、また球状窪部２１ｂより一端部２１ｅ側へ所要の間隔を隔てた箇所に係止部２１ｃを突設し、さらに一端部２１ｅ側の端面には貫通孔２１ｆを形成している。ホルダー部２１は、球状窪部２１ｂに球状ジョイント２２を回転可能に収容すると共に、球状窪部２１ｂと係止部２１ｃとの間には球状ジョイント２２を外方へ押し付けて付勢するよう圧縮コイルバネ２４を配置している。

球状ジョイント２２は、プローブ２０を接続する筒状のコネクタ部２２ａを突設し、コネクタ部２２ａの内部底にプローブ２０と電気的に接続される接続端子２２ｂを設け、この接続端子２２ｂからリード線２３を延出している。なお、リード線２３はホルダー部２１の内部の空洞を通り貫通孔２１ｆを通過してスタンド部１９ａの内部の空洞へ引き出されて、端末が給電装置１８と接続されている。

球状ジョイント２２のコネクタ部２２ａに接続されるプローブ２０は、試料３０との接触に対して所要の剛性を備えた針状の導電材であり、コネクタ部２２ａに接続されるとプローブ２０の端部２０ａの端面が球状ジョイント２２の接続端子２２ｂと接触して導通する。コネクタ部２２ａに接続されたプローブ２０は、試料３０との接触側となる先端を、球状ジョイント２２を回転させることで上下左右に動かせる。また、球状ジョイント２２は圧縮コイルバネ２４で付勢されているため、プローブ２０を様々な姿勢に維持させることが可能であると共に試料３０に対して導電に対して適切な接触圧を確保できる。なお、本実施形態では、図３中、左に位置する導通スタンド１９を正極側、右に位置する導通スタンド１９を負極側にしている。

また、図５に示す給電装置１８は給電手段に相当し、内部に定圧電源発生部１８ａ、可変抵抗部１８ｂ、モータ１８ｃ、モータドライバ１８ｄ、電圧測定部１８ｅ、及び制御部１８ｆを備えている。定圧電源部１８ａは交流の商用電源ＡＣと接続されており、交流電圧から所要電圧値の直流電圧を生成する。可変抵抗部１８ｂは定圧電源部１８ａの＋側に接続されモータ１８ｃの駆動により抵抗値が変更されるようにしている。この可変抵抗部１８ｂの抵抗値の変更により給電装置１８から出力される電力の電圧値が変化する。なお、モータ１８ｃはモータドライバ１８ｄからの信号に基づいた駆動量で作動し、モータドライバ１８ｄは制御部１８ｆにより制御されている。

電圧測定部１８ｅは、可変抵抗部１８ｂ及び定圧電源部１８ａの−側と並列的に接続され給電装置１８が出力する電力の電圧値を測定し、測定した結果を制御部１８ｆへ送っている。制御部１８ｆは、コンピュータ１０と接続されており、コンピュータ１０の指示信号に基づき給電装置１８が出力する電力の電圧値を制御する。具体的に制御部１８ｆは、コンピュータ１０から電圧値を規定した指示信号を受け付けると、規定された電圧値になるようにモータ１８ｅを駆動させる指示を含んだ信号をモータドライバ１８ｄへ出力する。また、制御部１８ｆは電圧測定部１８ｅからの測定結果を受けて、出力する電力の電圧値がコンピュータ１０から規定された電圧値と相異していないかを検出し、相異しているときは出力の電圧値を規定された値に修正するようにモータ１８ｃの駆動制御指示をモータドライバ１８ｄへ出力する処理を行う。

一方、図１に示すコンピュータ１０は、データ取込機８で得られた偏光状態の位相差Δ及び振幅比Ψに基づき試料３０の解析を行うと共に、測定時のステージ４の移動及び試料３０へ印可する電圧の制御等も行う。

コンピュータ１０は、コンピュータ本体１１、ディスプレイ１２、キーボード１３及びマウス１４等から構成されており、コンピュータ本体１１はＣＰＵ１１ａ、記憶部１１ｂ、ＲＡＭ１１ｃ、ＲＯＭ１１ｄ、及び接続インタフェース１１ｅを内部バス１１ｆで接続している。ＣＰＵ１１ａは記憶部１１ｂに記憶された各種コンピュータプログラムに従って後述する種々の処理を行うものであり、ＲＡＭ１１ｃは処理に係る各種データ等を一時的に記憶し、ＲＯＭ１１ｄにはコンピュータ１０の機能に係る内容等を記憶し、接続インタフェース１１ｅはデータ取込機８、モータ制御機９、及び給電装置１８と接続されて信号及び各種データの送受を行う。

なお、コンピュータ１０の記憶部１１ｂは、試料解析用のコンピュータプログラム、ステージ４の移動制御用のコンピュータプログラム、及び電圧制御用のコンピュータプログラム等を予め記憶すると共に、試料３０の製造工程に係る既知のデータ、モデルの作成に利用される複数の分散式、各種試料に応じたリファレンスデータ等も記憶する。

試料３０の解析に関し、コンピュータ１０は試料３０の光学特性としてＰＬＺＴ膜３２の屈折率及び消衰係数、並びにＰＬＺＴ膜３２の膜厚を層毎に解析すると共に基板３１の解析等を行う。具体的にコンピュータ１０は、測定された位相差Δ及び振幅比Ψから、試料３０の周囲と基板３１の複素屈折率を既知とした場合に、記憶部１１ｂに予め記憶されているモデリングプログラムを用いることで試料３０の材料構造に応じたモデルを作成して第３膜３６〜第３膜３５の膜厚及び複素屈折率を求める。複素屈折率Ｎは、解析する膜の屈折率ｎ及び消衰係数ｋとした場合、以下の光学式で表した数式（２）の関係が成立する。
Ｎ＝ｎ−ｉｋ・・・（２）

また、光照射器３が照射する光の波長をλとすると、データ取込機８で算出された位相差Δ及び振幅比Ψは、解析する膜の膜厚ｄ、屈折率ｎ及び消衰係数ｋに対して以下の数式（３）の関係が成立する。
（ｄ，ｎ，ｋ）＝Ｆ（ρ）＝Ｆ（Ψ（λ，φ），Δ（λ，φ））・・・（３）

なお、コンピュータ１０は、解析する膜の膜厚、及び複数のパラメータを有する複素誘電率の波長依存性を示す分散式を用いて、作成したモデルから理論的に得られるモデルスペクトル（Ψ_M （λ_i ）、Δ_M （λ_i ））と、データ取込器８が得た測定結果に係る測定スペクトル（Ψ_E （λ_i ）、Δ_E （λ_i ））との差が最小になるように膜厚、分散式のパラメータ等を変化させる処理（フィッティング）を行う。なお、適用される分散式の一例を下記の数式（４）に示す。

数式（４）において左辺のεは複素誘電率を示し、ε_∞、ε_s は誘電率を示し、Γ₀ 、Γ_D 、γ_j は粘性力に対する比例係数（damping factor）を示し、ω_oj、ω_t 、ω_p は固有角振動数（oscillator frequency, transverse frequency, plasma frequency）を示す。なお、ε_∞は高周波における誘電率（high frequency dielectric constant）であり、ε_s は低周波における誘電率（static dielectric constant）である。また、複素誘電率ε（ε（λ）に相当）、及び複素屈折率Ｎ（Ｎ（λ）に相当）は、下記の数式（５）の関係が成立する。
ε（λ）＝Ｎ² （λ）・・・（５）

なお、フィッティングを簡単に説明すると、試料３０を測定した場合でＴ個の測定データ対をＥｘｐ（ｉ＝１，２．．．，Ｔ）、Ｔ個のモデルの計算データ対をＭｏｄ（ｉ＝１，２．．．，Ｔ）としたときに測定誤差は正規分布すると考えて、標準偏差をσ_i とした際の最小二乗法に係る平均二乗誤差χ² は下記の数式（６）で求められる。なお、Ｐはパラメータの数である。平均二乗誤差χ² の値が小さいときは、測定結果と形成したモデルの一致度が大きいことを意味するため、複数のモデルを比較する場合、平均二乗誤差χ² の値が最も小さいものがベストモデルに相当する。

上述したコンピュータ１０が行う試料解析に係る一連の処理は、記憶部１１ｂに記憶された試料解析用のコンピュータプログラムに規定されている。このコンピュータプログラムには、試料の物性に対応して作成するモデルの条件項目として膜厚等を入力して設定するためのメニューをディスプレイ１２の画面に表示させる処理等も含まれる。上述した解析処理を行うことで、コンピュータ１０は試料３０のＰＬＺＴ膜３２を各膜３４〜３６毎に解析できる。なお、解析処理は、後述するステージ４の移動、及び印可する電圧値の変更毎に行うようにプログラミングされている。

また、測定時のステージ４の移動に関し、コンピュータ１０は、図２（ｂ）に示す試料３０へ光を照射するポイント（箇所）Ｐ１〜Ｐｎの指定を受け付けて指定されたポイントＰ１〜Ｐｎへ光が順次照射されるようにステージ４を移動する制御、及び指定された全ポイントを移動したか否かの判断等を移動制御用のコンピュータプログラムの規定内容に基づき行う。ポイントＰ１〜Ｐｎは、ディスプレイ１２の画面に表示されるメニューでポイント数、ポイント位置等を指定できるようにしている。なお、本実施形態では試料３０の電極３３ａ、３３ｂの間におけるＰＬＺＴ膜３２の膜表面３２ａの部分３２ｂ（図２（ａ）参照）をポイントＰ１〜Ｐｎの指定範囲にしている。

さらに、印可電圧の制御に関し、コンピュータ１０は、試料３０へ印可する電圧値の指定を受け付けて照射前に指定された電圧値を試料３０へ印可するように給電装置１８を制御すること、及び指定された全電圧値を印可したかの判断等を電圧制御用のコンピュータプログラムの規定内容に基づき行う。設定される各電圧値は、ディスプレイ１２の画面に表示されるメニューで複数の電圧値、電圧値の変化のさせ方等を指定できるようにしている。なお、本実施形態の試料３０に対しては、１００〜５００Ｖ前後の電圧値を基準電圧値として設定すると共に、基準電圧値から例えば５Ｖ間隔で所要数の電圧値まで上昇してから基準電圧値まで戻るように設定する。

次に、上述した構成の分光エリプソメータ１を用いて試料３０の解析を行う光学特性解析方法に係る一連の処理手順を図６のフローチャートに基づき説明する。
先ず、分光エリプソメータ１のステージ４に試料３０を載置する（Ｓ１）。なお、試料３０を載置した場合、図３に示すように試料３０の各電極３３ａ、３３ｂにプローブ２０を接触させる。

次に、解析に係る項目として試料３０を測定するポイントＰ１〜Ｐｎ、印可する電圧値、入射角度φ、試料３０に応じたモデル作成のための条件（基板の材質、膜厚、光学定数等）等をコンピュータ１０に入力する（Ｓ２）。なお、ポイントＰ１〜Ｐｎの入力及び入射角度φの入力を受けて、分光エリプソメータ１０は最初のポイントＰ１に対して入射角度φ及び反射角度φになるように光照射器３、ステージ４及び光取得器５を移動し、また、モデル作成のための条件の入力を受けて、コンピュータ１０が解析用のモデルを作成する。

また、分光エリプソメータ１は、入力により設定された最初の電圧値で試料３０へ電圧を印可する（Ｓ３）。この電圧の印可により試料３の電極間３３ａ、３３ｂには、図３に示す方向に電界Ｅが発生する。この状態で分光エリプソメータ１は光照射器３から偏光状態の光を試料３０へ入射して（Ｓ４）、位相差Δ_E、振幅比Ψ_E を測定する（Ｓ５）。

また、分光エリプソメータ１は、コンピュータ１０で位相差Δ_M、振幅比Ψ_Mをモデルから算出し、測定値とモデルの算出値との差が小さくなるようにモデルの膜厚及び分散式のパラメータ等のフィッティングを行い、フィッティングにより最小二乗法で求めた差が所要の値に収まれば（十分小さくなれば）、そのときの膜厚及び分散式のパラメータ等の数値から試料３０の膜厚及び光学定数（屈折率ｎ、消衰係数ｋ）等を層毎に解析する（Ｓ６）。

次に、分光エリプソメータ１は、入力により設定された全ポイントＰ１〜Ｐｎを解析したか否かを判断し（Ｓ７）、全ポイントＰ１〜Ｐｎを解析していない場合（Ｓ７：ＮＯ）、設定された次のポイントに光が入射されるようにステージ４を移動し（Ｓ８）、偏光状態の光を入射する段階（Ｓ４）へ戻る。これ以降の処理は、全ポイントＰ１〜Ｐｎの解析が終了するまでＳ４〜Ｓ８の処理段階を繰り返し、ポイント毎に解析を行う。

また、全ポイントＰ１〜Ｐｎの解析が終了したと判断した場合（Ｓ７：ＹＥＳ）、分光エリプソメータ１は入力により設定された全電圧値で解析が行われたか否かを判断する（Ｓ９）。全電圧値で解析が終了していないと判断した場合（Ｓ９：ＮＯ）、分光エリプソメータ１は設定されている順番に電圧値を変更し（Ｓ１０）、偏光状態の光を入射する段階（Ｓ４）へ戻る。これ以降の処理は、全電圧値で解析が終了するまでＳ４〜Ｓ１０の処理段階を繰り返して電圧値毎に解析を行う。

最後に、全電圧値で解析が終了したと判断した場合（Ｓ９：ＹＥＳ）、分光エリプソメータ１での解析処理が終了する。このように本発明に係る分光エリプソメータ１では、電圧を印可した状態で自動的に試料解析を膜層毎に行うため、屈折率さらには光の透過率等が判明し、多層膜構造の試料の電気光学効果を膜層毎に評価でき、また、複数のポイントＰ１〜Ｐｎを測定してポイント毎に解析して電気光学効果の面分析も行える。特に、本実施形態に係る試料３０においては、ＰＬＺＴ膜３２における各膜層の特性を層毎に分けて解析でき、試料３０の研究、研究段階から製造段階への移転、及び製造管理等に対して、本発明は大いに貢献できる。

なお、本発明に係る分光エリプソメータ１及び光学特性解析方法は上述した形態に限定されるものではなく、種々の変形例の適用が可能である。例えば、本実施形態の分光エリプソメータ１では、電圧の印可から試料の解析まで自動的に行えるようにしているが、電圧の印可とステージ４の移動とのいずれか一方又は両方を手動で行う構成にしてもよい。電圧の印可を手動で行う場合は、コンピュータ１０の電圧制御に係る処理及び給電装置１８からモータ１８ｃ等の電圧値変更に係る構成を適宜省略でき、ステージ４の移動を手動で行う場合は、コンピュータ１０のステージ４の移動に係る処理及び第１モータＭ１〜第３モータＭ３を省略できる。なお、ステージ４を移動させない場合、導通スタンド１９は光の照射及び反射を妨げない箇所に設けるようにしてもよい。

また、試料の複数ポイントを解析する必要が無い場合は、図６に示す光学特性解析方法に係るフローチャートでＳ７及びＳ８に示す処理を省略でき、電圧値を変更して解析する必要が無い場合は、光学特性解析方法に係るフローチャートでＳ９及びＳ１０に示す処理を省略できる。

さらに、分光エリプソメータ１では、試料との接触に関して、図３、４に示す導通スタンド１９及びプローブ２０を適用する以外に、例えば、図７に示すように導通スタンド４９に設けたホルダー５１からボンディングワイヤ５０と延出させて、ボンディングワイヤ５０により試料との導通を図ることも可能である。

さらにまた、分光エリプソメータ１の解析対象は、ＰＬＺＴ膜を有する試料に限定されるものではなく、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃ ）とジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ₃）とを混合した強誘電体膜のＰＺＴ膜を有する試料、高誘電体の多層膜構造の試料、強誘電体の多層膜構造の試料等も好適に解析できると共に、その他、基板上に膜を形成した各種試料の解析も行える。

また、分光エリプソメータ１が解析できる試料の構造も、図２（ａ）（ｂ）及び図３に示す形態に限定されるものではなく、図８に示す構造の試料６０も解析を行うことができる。図８に基づき試料６０の構造を説明すると、試料６０は、基板６１の上に電極Ｂ６３ａ及び電極Ａ６３ｂに挟まれた状態で多層膜６２が形成されている。多層膜６２の平面視方向の面積は電極Ｂ６３ａより少し小さいため、電極Ｂ６３ａの右端部分の表面は露出しており、また、多層膜６２の一部（右端）の表面部分６２ａは電極Ａ６３ｂが覆われていない。なお、多層膜６２が電気的な測定に基づいた誘電率が５０以上である高誘電体膜又は強誘電体膜で有る場合、分光エリプソメータ１は多層膜を層毎に解析できる。

上述した構造の試料６０を解析する場合、図８に示すように一対のプローブ２０の内の一方を電極Ａ６３ｂと接触させると共に、他方を電極Ｂ６３ａの露出している表面部分に接触させこの状態で電圧を印可することになる。なお、多層膜６２が例えば三層構造である場合、印可する電圧値をＶで表すと、上層には電圧値Ｖ１、中層には電圧値Ｖ２、及び下層には電圧値Ｖ３が夫々印可され、Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＝Ｖの関係が成立する。また、この場合、電圧の印可により生じる電界の方向は、多層膜６２を直交して横切るように電極Ａ６３ｂと電極Ｂ６３ａとを結ぶ方向になる。印可する電圧値は、電界が多層膜３２を横切る方向であるため電気光学効果も生じやすくなるため、図２（ａ）に示す試料３２に比べて低く設定でき、例えば基準電圧値として１〜１０Ｖ程度を設定する。

また、図８に示す試料６０で光を入射させる範囲は、多層膜６２の露出している表面部分６２ａにする。さらに、多層膜６２を覆う電極Ａ６３ｂが光透過性を有する透明電極である場合、又は厚み寸法が薄く光を透過できる場合は、電極Ａ６３ｂの上から、即ち電極Ａ６３ｂの表面に対して光を入射して測定を行うことも可能になる。なお、電極Ａ６３ｂの上から光を入射させる場合は、電極Ａ６３ｂも測定及び解析に影響を及ぼすため、図６に示すフローチャートの項目を入力する段階（Ｓ２）で、電極Ａ６３ｂに係る材質及び厚み等を入力する必要がある。

さらにまた、本発明は必ずしも分光エリプソメータをベースとして構成する必要はなく、キセノンランプ２のように複数の波長成分を有する光を発生する発生手段、光照射器３のように発生した光を偏光して試料台に載置した試料へ照射する照射手段、並びに光取得器５及び分光器７のように試料で反射した光を検光して測定を行う測定手段を備える測定解析装置に、給電装置１８及び導通スタンド１９のような電圧印可手段を組み合わせた構成でも対応可能である。この構成においては、電圧印可手段により電圧を印可した試料へ前記照射手段により偏光状態の光を照射し、前記測定手段により測定を行う。

本発明の実施形態に係る分光エリプソメータの全体構成図である。 （ａ）は試料の斜視図、（ｂ）は試料の平面図である。 ステージに載置された試料の状況を示す概略図である。 導通スタンドの要部拡大断面図である。 給電装置の内部構成を示すブロック図である。 光学特性解析方法に係る処理手順を示すフローチャートである。 変形例の導通スタンドを示す概略図である。 本発明での解析対象となる別の構造の試料を示す概略図である。 従来の解析方法を示す概略図である。

符号の説明

１ 分光エリプソメータ
２ キセノンランプ
３ 光照射器
４ ステージ
５ 光取得器
７ 分光器
８ データ取込機
９ モータ制御機
１０ コンピュータ
１８ 給電装置
１９ 導通スタンド
３０ 試料
３１ 基板
３２ ＰＬＺＴ膜
３３ａ、３３ｂ 電極

Claims (10)

1. 複数層の膜を備える試料の光学特性を分光エリプソメータで解析する光学特性解析方法であって、
   試料に電圧を印可する第１ステップと、
   電圧が印可された試料の膜表面へ複数波長成分の偏光した光を照射する第２ステップと、
   試料で反射した光の偏光状態を測定して試料の膜の光学特性を層毎に解析する第３ステップと
   を備えることを特徴とする光学特性解析方法。
2. 複数層の膜及び複数の電極を備え、複数の電極の中に膜を覆う光透過性の電極を有する試料の光学特性を分光エリプソメータで解析する光学特性解析方法であって、
   試料の電極間に電圧を印可する第１ステップと、
   電圧が印可された試料の光透過性の電極表面へ複数波長成分の偏光した光を照射する第２ステップと、
   試料で反射した光の偏光状態を測定して試料の膜の光学特性を層毎に解析する第３ステップと
   を備えることを特徴とする光学特性解析方法。
3. 前記第１ステップでは、
   印可する電圧の値を変化し、
   変化した電圧の値毎に前記第２ステップ及び第３ステップを行う請求項１又は請求項２に記載の光学特性解析方法。
4. 前記第２ステップでは、
   光を照射する箇所を順次移動し、
   前記第３ステップでは、
   移動した箇所毎に光学特性を解析する請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の光学特性解析方法。
5. 複数波長成分を有する光を発生する発生手段と、該発生手段が発生した光を偏光して試料台に載置する試料へ照射する照射手段と、試料で反射した光を検光して測定を行う測定手段とを備える試料測定装置であって、
   前記試料台に載置される試料へ電圧を印可する電圧印可手段を備え、
   前記照射手段は、前記該電圧印可手段が電圧を印可した試料へ光を照射するようにしてあることを特徴とする試料測定装置。
6. 試料台に載置する試料へ偏光した光を照射して、試料で反射した光の偏光状態の測定に基づき試料の特性を解析する分光エリプソメータにおいて、
   前記試料台に載置される試料へ電圧を印可する電圧印可手段を備え、
   該電圧印可手段が電圧を印可した試料へ光を照射して解析を行うようにしてあることを特徴とする分光エリプソメータ。
7. 前記電圧印可手段は、
   試料との電気的な接触を行う接触手段と、
   該接触手段への給電を行う給電手段と
   を備え、
   前記給電手段は、給電に係る電圧値を変化することが可能にしてある請求項６に記載の分光エリプソメータ。
8. 前記給電手段が変化した電圧値毎に試料を解析する手段を備える請求項７に記載の分光エリプソメータ。
9. 前記試料台の移動を行う移動手段を備え、
   前記接触手段は、前記試料台に設けてある請求項７又は請求項８に記載の分光エリプソメータ。
10. 前記移動手段が行う移動毎に試料を解析する手段を備える請求項９に記載の分光エリプソメータ。

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