JP2006516731A - 試料の光学測定を行う方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】複屈折変調器の有利な特徴（安定変調が高く、重心がほとんど又は全く動かない）を維持しつつ、急速に変化する変調信号に追従できる試料光学測定を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、楕円率測定等の試料の光学測定を行う方法に関する。偏光照射ビームを試料に照射し、戻りビームを線形偏光させる。照射又は戻りビームは、一次変調信号に従って、光弾性変調器等の複屈折変調器で変調される。戻りビームは、マルチチャネル検出器上に向けられる。典型的には、検出器は、一次変調信号の時間より長い応答時間を有するＣＣＤ等の遅い検出器である。複数の値を求めるために、検出値が、各々の検出要素において同時に生成され、処理される。ゲーティング間隔にわたる検出器信号の平均化、ＩＣＣＤの利得のコヒーレント変調を採用する設計及び変調器とコヒーレントなフラッシュ・ランプ設計を含めて、種々の測定技術が説明される。

Description

本発明は、楕円率測定等の試料の光学測定を行う方法に関する。
楕円偏光計（エリプソメーター）は、何年もの間、薄膜の測定に使用されてきた。特に、楕円偏光計は、半導体の酸化物その他の層の測定に使用されてきた。楕円偏光計は、２つのパラメータを測定しながら、表面からの反射により導出された楕円率を分析するものである。この技術は、例えば、反射計の値を用いることができるものよりさらに正確な値を用いることができる。
単純な楕円偏光計は、偏光子を通って平面偏光ビームを形成する光ビームを生成する光源を含む。光源は、単一波長の測定の場合は、レーザー又はＬＥＤとすることができ、或いは分光測定の場合は、白色光源とすることができる。ビームは、試料の表面に当たる前に、リターダ（補償器と呼ばれることがある）を通る。反射光は、第２の偏光子（通常、検光子と呼ばれる）を通り、光検出器に入る。光検出器は、通常は、光ダイオード又は光電子増倍管である。単一の光ダイオード又は光電子増倍検出器を有する楕円偏光計は、単一チャネルの楕円偏光計である。
リターダは回転することができる。或いは、複屈折変調器を用いることができる。この変調器は、典型的には、それに加えられた歪みに依存する複屈折を有する要素を含む光弾性変調器である。圧電変換器により周期的な歪みが加えられ、その結果、複屈折は、通常は機械的な共振モードの高周波数（角周波数ω0）において変調される。
単一チャネルの複屈折変調器の楕円偏光計は、典型的には一般的な回転要素の楕円偏光計より１００倍大きな感度を有する。楕円偏光計は、１つの検出器を有する。それは、ω0及び２ω0において作動するロックイン増幅器のコヒーレント検出を用いることによって非常に高い感度を達成する。これにより、電子回路は、低ノイズ領域となり、周波数及び位相の両方を有するロックインのコヒーレント検出によって変調器とコヒーレントでないノイズ信号が除去される。さらに、変調要素は、重心が動くことなく機械的な共振を受け、これにより、多くの場合、回転要素型設計において残留漂遊信号（レジデュアル・ストレイ・シグナル）をもたらす検出器の光ビームの移動が排除される。
複屈折変調器の楕円偏光計の通常の構成は、供給源、Ｐ、Ｍ、試料、Ａ、検出器であり、ここで、Ρ、Ｍ及びＡは、それぞれ偏光子、変調器及び検光子（それは、試料に続いて変調器と併せて用いられることがある）である。通常の構成において、偏光子及び検光子は、４５°に向けられ、変調器は、ｓ方向に平行又は垂直である（ｓ方向は、試料の表面に平行であり、入射面に垂直である）。この場合、
Figure 2006516731
である。
ここで、Ｉ0は入射強度であり、Ｉは検光子に従う強度であり、ｒsはｓの振幅反射率の大きさであり、ρ及びΔは反射偏光楕円のパラメータであり、ρは大きさであり、Δは位相角であり、δは、δ＝δ0ｓｉｎω0ｔとして時間とともに変化する変調器の位相シフトである。この式を展開して次のように示すことができる。
Figure 2006516731
ここで、Ｊ0、Ｊ1、Ｊ2…は、変調器の位相シフトδ0の大きさに依存する整数のベッセル関数であり、級数の和はより高い次数（order）に進む。３つの最低周波数の項は、
直流成分の
Figure 2006516731
角周波数ω0における交流成分の
Figure 2006516731
角周波数２ω0における交流成分の
Figure 2006516731
である。
ω0及び２ω0に合わせられたロックイン振幅器が、ω0及び２ω0信号の振幅を出力する。交流／直流信号の比は、これらの２つのパラメータを導出することができるρ及びΔを含む２つの式を与える。次に、パラメータ（ｘ，ｙ）は、ρ及びΔから導出することができ、ここで、
Figure 2006516731
である。
楕円偏光計は、ＣＣＤ等のマルチチャネル・アレイ検出器が用いられる画像形成モードで使用することができる。この場合、回転変調器が使用され、一組のＣＣＤ画像が、リターダの異なる向きで表示され、次に、それを分析して、照射された試料領域にわたってｘ及びｙ、又はρ及びΔの画像を形成することができる。
そのような楕円偏光計では、複屈折変調器の有利な特徴（安定変調が高く、重心がほとんど又は全く動かない）を維持することが望ましい。マルチチャネルＣＣＤ検出器のフレーム速度は、典型的には、１秒当たり２０から２００フレームの範囲であるが、典型的な複屈折変調器の変調周波数ω0は、約５０ｋＨｚである。その他の好適な検出器を用いても急速に変化する変調信号に追従することは不可能である。
マルチ検出器の楕円偏光計は、米国特許第５，７５７，６７１号に記載されている。用いられた検出器は光ダイオードであり、全検出器からの信号が、単一のアナログ／デジタル変換器に多重化される。信号は、その後、フーリエ分解される。この方法では、多数のチャネルに容易に拡張することができない。
複屈折変調器に基づいた分光楕円偏光計は、別の望ましい機器の例である。ここでは、マルチチャネル検出器は、同時に全色を測定することができる。これを達成する単純な方法は、各々がそれらの関連する２つのロックイン増幅器を有する、単一チャネルの多くの検出器から構成されるものである。そのような機器は、非常に大きいものとなる。マルチチャネルのＣＣＤ検出器は、あまりに遅くて変調信号に追従することができない。
本発明の第１の態様では、偏光照射ビームを試料に照射し、該試料からの戻りビームを直線偏光させ、一次変調信号に従って複屈折変調器で該照射又は戻りビームを変調し、該一次変調信号との所定の位相関係を有する二次変調信号を生成し、複数の検出要素を有するマルチチャネル検出器上に該戻りビームを向け、各々の検出要素において検出値を同時に生成し、該同時に生成された検出値を処理して、各々の値がそれぞれの検出要素に対応し、該試料により誘起された照射ビーム上の変化の指標となる複数の値を求め、該二次変調信号に従って該照射又は戻りビームを変調するか、又は該二次変調信号に従って該検出値の生成又は処理を制御することを含む、試料の測定を行う方法を提供する。
本発明の第２の態様では、放射線源と、偏光子と、一次変調信号に従って照射又は戻りビームを変調するように構成された複屈折変調器と、検光子と、該一次変調信号との所定の位相関係を有する二次変調信号を生成する手段と、各々の検出要素において検出値を同時に生成するように構成された複数の検出要素を有するマルチチャネル検出器と、該同時に生成された検出値を処理して、各々の値がそれぞれの検出要素に対応し、該試料により誘起された照射ビーム上の変化の指標となる複数の値を求めるプロセッサと、該二次変調信号に従って該照射又は戻りビームを変調するか、又は該二次変調信号に従って該検出値の生成又は処理を制御する手段と、を含む測定装置を提供する。
同時に生成された一組の検出値を処理することによって、本発明は、高速であり、且つ、多数のチャネルに容易に拡張可能である真の並列システムを提供する。これは、各々の検出器の値が異なる時点で生成される米国特許第５，７５７，６７１号のシステムとは異なるであろう。
画像形成又は分光構成において、これは、基板が短時間で調査分析されることを可能にする。本発明のこの態様は、表面特徴が時間とともに変化する、半導体製造又は状況等の時間が肝心なプロセスにおいて特に有用である。
複屈折変調器を使用すると、安定変調が比較的高く、重心がほとんど又は全く動かないという利点がもたらされる。
さらに、本発明では、二次変調信号を用いて同時照射又は検出を行う。これは、それぞれの作動周波数が異なっていても、変調器及び検出器／プロセッサが同時に作動することを可能にする。例えば、それは、一次変調信号に追従することはできないが、変調器の周期の一部にわたって検出信号を積分することができる「遅い」検出器の使用を可能にする。そのような検出器は、典型的には、一次変調信号の時間より長い応答時間を有し、一般的には積分検出器でもある。しかしながら、「高速」検出器を採用することもでき、検出値は該検出器それ自体によってではなく、後続する電子回路において積分されることに注目すべきである。
本発明では、一般的には、例えば５００の並列チャネルのために必要な数において、非常に大きく費用がかかるものとなる通常のロックイン増幅器の検出器に対する必要性も無くす。
二次変調信号を使用すると、様々な検出方式を採用することを可能にする融通性がもたらされる。典型的には、二次変調信号は、２つ又はそれ以上の測定モード間で順に切り替わるが、幾つかの有用なパラメータの測定は、単一の測定モードのみを使用することによって達成されることが可能である。しかしながら、後述される好ましい方式においては、直流測定モードを含めて少なくとも３つのモードがある。
幾つかの好ましい測定手順において、二次変調信号は、第１の測定モードの間の一次変調信号との第１の位相関係と、第２の測定モードの間の該一次変調信号との第２の位相関係とを有する。例えば、二次変調信号は、第１の測定モードの間の一次変調信号との第１の位相関係を有する一連のパルスと、第２の測定モードの間の該一次変調信号との第２の位相関係を有する一連のパルスとを含むことができる。或いは、二次変調信号は、第１の測定モードの間の第１のパルス幅を有する一連のパルスと、第２の測定モードの間の第２のパルス幅を有する一連のパルスとを含むことができる。
他の好ましい測定手順において、二次変調信号は、第１の測定モードの間の第１の周波数成分と、第２の測定モードの間の第２の周波数成分とを有する。例えば、二次変調信号は、第１の変調モードの間の一次変調信号の周波数の１つ又はそれ以上の第１の組の高調波と、第２の変調モードの間の該一次変調信号の周波数の１つ又はそれ以上の第２の組の高調波とを含むことができる。或いは、二次変調信号は、第１の測定モードの間の第１の周波数における方形波パルス列と、第２の測定モードの間の第２の周波数における方形波パルス列とを含むことができる。
所望のコヒーレント検波を行うために、二次変調信号を用いて様々なハードウェア要素を制御することができる。例えば、照射又は戻りビームは、該照射又は戻りビームの経路内のゲートを開閉することによって変調できる。好ましい実施形態において、これは、増倍型電荷結合素子（ＩＣＣＤ）を使用することによって達成されるが、任意の制御可能ゲート（変調器とコヒーレントなチョッパ等）を使用することができる。或いは、照射ビームは、フラッシュ・ランプ等の放射線源をオンに及びオフにすることによって、二次変調信号に従って変調できる。これは、供給源が或る程度の時間だけオンであり、これにより所要電力を削減し、供給源の寿命を延ばすという利点を有する。或いは、照射ビームは、発光ダイオード、すなわちＬＥＤ等の放射線源の強度を変えることによって、二次変調信号に従って変調できる。或いは、検出値の生成又は処理は、二次変調信号に従ってマルチチャネル検出器の利得を変える、すなわち、後続する電子回路を制御することによって制御できる。
一連の放射パルスを生成するために放射線源がオンに及びオフにされ、該パルスのスペクトルが加熱及び冷却作用中に時間と共に変化する場合には、この方法はさらに、各々の放射パルスの間の放射又は戻りビームの経路内のゲートを閉鎖するステップか、又は各々の放射パルスの間に検出器の利得を減少させるステップを含むことができる。これは、望ましくない信号を廃棄することによって、放射パルスの「スペクトルのクリーンアップ」を行う。
並列で生成されるが、検出値は、典型的には、マルチチャネル検出器から連続的に読み取られる。
後述される好ましいハードウェアの例では、マルチチャネル検出器は、電荷結合素子（ＣＣＤ）検出器である。或いは、検出器は、好適なゲート機能を有する、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）検出器か又は光ダイオード・アレイ（ＰＤＡ）検出器とすることができる。
様々な複屈折変調器を使用することができる。後述される好ましいハードウェアの例では、光弾性変調器等の共振変調器が使用される。しかしながら、様々な液晶リターダ又はファラデー若しくはカー効果のリターダ等の、他の非共振タイプの複屈折変調器を使用することができる。
この方法は、試料の特性を表す２次元画像が形成される画像形成装置に採用することができる。或いは、これらの装置は、格子（又は他の波長分散要素）を用いて検出器に入射する光を散乱させ、値を波長の関数として構成する分光モードに使用され得る。
この方法を採用して、実測された特性が試料を通して透過すること、並びに、試料から反射することに関連する様々な測定を行うことができる。例として、楕円率、透過円偏光二色性、応力複屈折及び表面の光学的異方性が挙げられる。
ここでは、添付図面を参照して、例として本発明を説明する。
ここでは、第１のハードウェアの例（図１）及び第２のハードウェアの例（図５）を参照して、本発明の種々の実施形態を説明する。
１．第１のハードウェアの例：変調器周期のゲート・インターバルにわたって積分される、変調器とコヒーレントな検出器信号：
１.１ ハードウェア
図１は、分光楕円偏光計を示す。白色光源１からの光が、偏光子２を透過し、平面偏光ビームを形成する。偏光ビームは、圧電駆動要素４により共振させられる溶融シリカの変調器部分３を含む光弾性複屈折変調器により変調される。圧電ゲージ要素５が、変調器部分の振動に応じて信号を生成し、該信号を、フィードバック経路６を介して駆動要素にフィードバックする。好適な変調器の例は、ニュージーランド、ウェリントン、サラマンカ通り３２所在のビーグルホール・インストゥルメント・リミテッド社により製造されたHigh Stability Birefringence Modulatorである。
ビームは、試料７の表面に当たる前に、変調器と、集光レンズ１６とを透過する。反射光が、対物レンズ８、第２の偏光子９（通常は検光子と呼ばれる）を透過し、出口平面において増倍型電荷結合素子（ＩＣＣＤ）カメラを有する分光写真器２０の入射スリット上に合焦される。ＩＣＣＤカメラは、ＣＣＤ１０と、５ｎｓまで（製造業者による）の時間内で開閉可能なＣＣＤカメラの正面にあるゲートとを有する。ゲートは、増倍器１１と、蛍光スクリーン１２とを含む。増倍器は、光電子増倍管と同様な方法で作動し、増倍器１１の利得は、入力ライン１３を介して制御することができる。好適なＩＣＣＤカメラの例は、０８６１９、ＮＪ、トレントン、クエーカーブリッジ通り３６６０所在のローパー・サイエンティフィック社により製造されたＰＩ＿ＭＡＸ１０２４である。
幾つかのＩＣＣＤカメラにおいて、蛍光スクリーン１２とＣＣＤ１０とは、光ファイバ・ケーブル（図示せず）により結合される。代替的な配置において、複屈折変調器が、試料と検光子９との間に配置されてもよい。
ゲート・コントローラ１４がゲートを制御し、そしてまた、ゲート・コントローラ１４は、ＣＣＤ１０からデータを受信して処理するコンピュータ１５により制御される。ゲート・コントローラ１４は、ゲージ要素５から受信した一次変調信号の正に向かう各々のゼロ交差から、変調器とコヒーレントなパルスの各々の周期を導き出し、変調器が振動する間の特定の時点においてゲートを開閉する。例えば、ゲートは、変調器の１つの完全な周期Ｔにわたって開放されたままに保つことができ、その場合、
Figure 2006516731
を求め、ａｃ項は平均化されてゼロになる。例えば、０からＴ／２、０から５Ｔ／８といった他の時間間隔により、ρｃｏｓΔ及びρｓｉｎΔの関数が与えられ、そこからρ及びΔを導出することができる。ショット雑音が制限される場合は、検出器の雑音は、測定時間の間に検出器に当たる光子数の平方根に比例し、それでこの数が、設計効率の尺度となる。この場合、検出器に入射する光子の約１／４は使用されず、Ｉ0及び２つの楕円偏光パラメータを求めるのに３つの別の時間間隔の測定が必要となる。
ＣＣＤ１０は、データを処理して一組の楕円率値を算出するコンピュータ１５により読み取られる。コンピュータ１５は、個々のＣＣＤピクセルの各々からのデータを処理することもできるし、或いは単にピクセルのブロック（「ビンニング(binning)」として一般的に知られている技術）から取られた合計値を処理することもできる。また、コンピュータは、ＣＣＤ全体から又はＣＣＤの視野内の特定の対象領域（ＲＯＩ）のみから取られたデータを処理することもできる。
図１のハードウェアは、様々な測定手順を用いて作動させることができる。測定手順の例に従う楕円偏光分析の３つの測定手順が下記に示される。
１.２.１ 楕円偏光分析（第１の測定手順）
単一チャネルの変調楕円偏光計で測定された信号は、
Figure 2006516731
であり、ここで、Δは、試料による光位相シフトであり、δは、変調器の光位相シフトであり、δ＝δ0ｓｉｎωｔである。
第１の測定手順において、信号は、時間ｔ1からｔ2までの間で積分され、すなわち、
Figure 2006516731

Figure 2006516731

Figure 2006516731

Figure 2006516731

Figure 2006516731
である。
以下の表は、時間ｔ1＝０から時間ｔ2まで（すなわちＴは変調器の期間２π／ωに等しい）積分されたＩ0ｒs 2により正規化された３つの項の値を示す。



















Figure 2006516731
項ρｓｉｎΔ及び項ρｃｏｓΔは、楕円率を完全に定める複素振幅反射率比の実数部(real part)及び虚数部(imaginary part)である。これらは、δ0によって決まるとみなすことができ、δ0は変調器の複屈折の振幅によって決まり、そして変調器の複屈折の振幅は光波長に反比例して変化する。最低次数のベッセル関数が式を支配するが、高い次数のベッセル関数は、大きいδ0において僅かに寄与する。
強度への依存性を取り除くために、異なる積分時間にわたって得られた２つの値の比をとる。ｔ2＝３Ｔ／４のときの全信号をとり、これをｔ2＝Ｔのときの全信号で割ると、
Figure 2006516731
という比が得られ、ここで、α、βは、δ0及びＴの単関数である。異なる時間を選択すると、
Figure 2006516731
に比例した比を同様に得ることができる。これらの比から、楕円率パラメータを導出することができる。
１.２.２ 第１の測定手順の例
図２は、第１の測定手順の例のタイミング図である。一次変調信号は、角周波数ω0の正弦波として図２の（ａ）に示される。ゲート・コントローラ１４は、一次変調信号の各々の正に向かうゼロ交差からのパルスを生成し、それは、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に示されたゲート制御信号の位相を制御するのに用いられる。手順は、次の通りである。
露光１： 一次変調信号のｎ1周期においてＣＣＤを完全に露光する。値ｎ1は、ＣＣＤがほぼ完全に（ピクセル・ウェルがほぼ完全に）露光されるように選択される。露光１の間の入力ライン１３上のゲート制御信号が、図２の（ｂ）に示される。図２の例では、ｎ1は、２つの値をもつように示されており、そのためゲートは、この場合２つの周期において開かれる。
読み取り１： ＣＣＤを読み取る。
露光２： 一次変調信号のｎ2周期において、１周期当たりＴ／２秒にわたってＣＣＤを露光する。値ｎ2は、ＣＣＤがほぼ完全に露光されるように選択され、露光１の場合の値ｎ1と異なってもよい。露光２の間の入力ライン１３上のゲート制御信号が、図２の（ｃ）に示される。図２の例では、ｎ2は、２つの値をもつように示されており、そのためゲートは、この場合２つの周期において開かれる。
読み取り２： ＣＣＤを読み取る。
露光３： 一次変調信号のｎ3周期において、１周期当たり５Ｔ／８秒にわたってＣＣＤを露光する。値ｎ3は、ＣＣＤがほぼ完全に露光されるように選択され、露光１の場合の値ｎ1及び／又は露光２の場合の値ｎ2と異なってもよい。露光３の間の入力ライン１３上のゲート制御信号が、図２の（ｄ）に示される。図２の例では、ｎ3は、２つの値をもつように示され、そのためゲートは、この場合２つの周期において開かれる。
読み取り３： ＣＣＤを読み取る。
次に、データの雑音が望まれるだけ小さくなるまで、上記のステップを繰り返す。次に、露光周期数ｎ1、ｎ2、ｎ3を適切に考慮に入れて、上記の式に従ってＣＣＤフレームの読み取りを処理する。
１.３.１ 楕円偏光分析（第２の測定手順）
第２の測定手順においては、利得Ｇは、以下のように矩形波としてオフとＧ＝１との間で切り換えられる。
・時間間隔ｔ／Ｔ＝０から１／２のとき、奇数変調Ｇodd＝１であり、時間ｔ／Ｔ＝１／２から１のとき、Ｇodd＝０である。
・時間間隔ｔ／Ｔ＝０から１／８、３／８から５／８、７／８から１のとき、偶数変調Ｇeven＝０である。時間ｔ／Ｔ＝１／８から３／８、５／８から７／８のとき、Ｇeven＝１である。
総オン時間は、両方の場合において各々の全周期のＴ／２である。測定される信号は、多くの周期にわたり時間平均された積ＧＩである。奇数及び偶数の変調関数は、Ｔ／２に関するそれらの対称により分類される異なる平均値を有する。
Figure 2006516731
次のように変調器の光位相δの時間変数を展開する。
Figure 2006516731
１周期にわたる時間独立項を平均すると、
Figure 2006516731
により与えられるＳdcが得られる。Ｇeven＝１のオンタイムのときの偶数の時間独立項を平均すると、
Figure 2006516731
が得られる。θ＝ω0ｔ＝２πｔ／Ｔに時間変数を変化させると、
Figure 2006516731

Figure 2006516731

Figure 2006516731
が得られる。
同様に、Ｇoddを用いて、
Figure 2006516731

Figure 2006516731

Figure 2006516731
が求められる。
測定において、変調のないｎ1全周期における時間積分信号を測定し、Ａ＝「直流」信号を得る。奇数変調に関して測定し、Ｂ＝「直流」−「奇数」を記録する。偶数変調に関して測定し、Ｃ＝「直流」＋「偶数」を記録する。次に、
Figure 2006516731
が得られる。
（ｘ´，ｙ´）、すなわち、
Figure 2006516731
から、パラメータｘ、ｙ、すなわち、
Figure 2006516731
を導出することができる。
１.３.２ 第２の測定手順の例
図３は、第２の測定手順の例のタイミング図である。手順は、次の通りである。
露光１： 一次変調信号のｎ1周期においてＣＣＤを完全に露光する。値ｎ1は、ＣＣＤがほぼ完全に露光されるように選択される。露光１の間の入力ライン１３上のゲート制御信号が、図３の（ｂ）に示される。図３の例では、ｎ1は、２つの値をもつように示され、そのためゲートは、この場合２つの周期において開かれる。
読み取り１： ＣＣＤを読み取る。
露光２： ｔ＝Ｔ／２について奇数である周波数ω0の方形波をもつ一次変調信号のｎ2周期においてＣＣＤを露光する。値ｎ2は、ＣＣＤがほぼ完全に露光されるように選択され、露光１の場合の値ｎ1と異なってもよい。露光２の間の入力ライン１３上のゲート制御信号が、図３の（ｃ）に示される。図３の例では、ｎ2は、２つの値をもつように示され、そのためゲートは、この場合２つの周期において開かれる。
読み取り２： ＣＣＤを読み取る。
露光３： ｔ＝Ｔ／２について偶数である周波数２ω0の方形波をもつ一次変調信号のｎ3周期においてＣＣＤを露光する。値ｎ3は、ＣＣＤがほぼ完全に露光されるように選択され、露光１の場合の値ｎ1及び／又は露光２の場合の値ｎ2と異なってもよい。露光３の間の入力ライン１３上のゲート制御信号が、図３の（ｄ）に示される。図３の例では、ｎ3は、２つの値をもつように示され、そのためゲートは、この場合２つの周期において開かれる。
読み取り３： ＣＣＤを読み取る。
次に、信号のゆらぎが望まれるだけ小さくなるまで、上記のステップを前の場合と同様に繰り返す。
１.３.３ 実験データ
図７は、第２の測定手順を用いた、パラメータｘ、ｙの幾つかの予備測定を示す。偏光子及び検光子が、６３０ｎｍにおいてはｙが１まで、ｘが０までの、４２０ｎｍから８００ｎｍまでの範囲でのみ有効であることに注目されたい。
図８は、正規化データを示すグラフである。上方の実線曲線は、ｄｃで割った偶数データを示し、下方の実線曲線は、ｄｃで割った奇数データを示す。破線は、比較する目的のための計算値を示す。
１.４.１ 楕円偏光分析（第３の測定手順）
矩形変調ゲートを用いるのではなく増倍管を用いて、利得が偶数及び奇数の調和正弦波の合計として時間を経て変化するように、検出器の利得（ゲイン）Ｇを変調することができる。
利得が１／２Ｇ0｛１＋ｃｏｓ（ωgｔ＋φg）｝として変調されると、信号は、
Figure 2006516731
となる。
式が展開される場合は、強度の半分は、前の場合と同様に同じｄｃ及びａｃを取り、他の半分は、角周波数ωg±ω0、ωg±２ω0を有する和の項及び差分項を含む。このように、ωgが順に０、ω0、２ω0に設定される場合には、差分周波数は、ｄｃ及びａｃの各々についてゼロになり、３つのゼロ周波数信号の時間平均測定を行うことができる。利得変調信号は、それが正確にコヒーレントとなるように変調振動振幅から導出されることに注目されたい。効率は約１／３である。利得の位相シフトφgは、最大ゼロ周波数信号に合わせて調整することができる。第３の測定手順が、効果的に検出器を自動ロックイン増幅器に変える。
利得変調関数はまた、次式のように偶数及び奇数のより高い調波の等しい振幅を有するように生成することができる。
Figure 2006516731
次に、ゼロ周波数の項を、上記の式３、式４、式５の交流、直流項における偶数及び奇数調波から導出することができ、
Figure 2006516731
に比例したゼロ周波数信号が与えられる。
固定した変調器において、振幅δ0は光波長の関数であり、幅広いスペクトル域が用いられる場合には、式３、式４におけるＪ1、Ｊ2…のベッセル関数のゼロが、これらの領域においてρ、Δに対する低い感度をもたらす。式８におけるベッセル関数の和にはゼロがなく、「デッド(dead)」領域が排除できる。効率は、同様に約１／３である。
検出器の利得を変える代わりに、光源の輝度を均等に変えることができる。ＬＥＤは、明るく、且つ、本質的には非コヒーレントな供給源であり、画像形成楕円偏光用途に適当な狭い帯域供給源を提供することができる。レーザ・ダイオードはまた、高い周波数で変調することができるが、コヒーレンス長を長くすれば、これらは、画像形成用途には適当とならなくなる。ＬＥＤ照射は、同じコヒーレンスをもたない。
１.４.２ 第３の測定手順の例
図４は、第３の測定手順の例を示す。手順は次の通りである。
露光１： 一次変調信号のｎ1周期においてＣＣＤを完全に露光する。値ｎ1は、ＣＣＤがほぼ完全に露光されるように選択される。露光１の間の入力ライン１３上のゲート制御信号が、図４の（ｂ）に示される。図４の例では、ｎ1は、２つの値をもつように示され、そのためゲートは、この場合２つの周期において開かれる。
読み取り１： ＣＣＤを読み取る。
露光２： 図４の（ｃ）に示すように、ｔ＝Ｔ／２について奇数である、３つの奇数の正弦の和で利得が変調された、一次変調信号のｎ2周期においてＣＣＤを露光する。値ｎ2は、ＣＣＤがほぼ完全に露光されるように選択され、露光１の場合の値ｎ1と異なってもよい。図４の例では、ｎ2は、２つの値をもつように示され、そのためゲートは、この場合２つの周期において開かれる。
読み取り２： ＣＣＤを読み取る。
露光３： 図４の（ｄ）において示すように、ｔ＝Ｔ／２について偶数である、３つの偶数の正弦の和で利得が変調された、一次変調信号のｎ3周期においてＣＣＤを露光する。値ｎ3は、ＣＣＤがほぼ完全に露光されるように選択され、露光１の場合の値ｎ1及び／又は露光２の場合の値ｎ2と異なってもよい。図４の例では、ｎ3は、２つの値をもつように示され、そのためゲートは、この場合２つの周期において開かれる。
読み取り３： ＣＣＤを読み取る。
次に、上記のステップを繰り返す。
２．第２のハードウェアの例：コヒーレントな短いフラッシュ・ランプ・パルス照射
２.１ ハードウェア
代替的な分光楕円偏光計が、図５に示される。ハードウェアの大部分は、図１に示されるハードウェアと同じであり、それで参照符号は、同じ構成要素について繰り返し用いられる。
通常の光源１は、半値全幅値（ＦＷＨＭ）において１．７５μｓまでの幅を有するパルスを生成するHamamatsu Supere-quiet 15W Xe Flash管等のフラッシュ・ランプ２１に置き換えられる。フラッシュの各々は、０．１５Ｊのエネルギーを必要とする。ランプは、１秒当たり１００回のフラッシュを与えることができる。ランプは、１．５ｍｍのアーク・サイズを有する。変調器の時間Ｔは２０μｓであり、それで以下の分析においては、第１の近似としてパルス幅がその時間と比較して小さいと仮定する。より詳細な分析では、有限幅を考慮に入れることができる。
キセノン・アーク・ランプ２１は、１００Ｈｚまでの最大反復周波数を有するパルスを生成するトリガ・パルス・モードで作動できる。例えば、ｔ／Ｔ＝０、１／４、１／２、３／４における周期の間の４つの異なる時点で測定を行う場合には、Ｉ0、δ0、ρ及びΔを導出することができる。フラッシュ・ランプの時間平均輝度は、可視スペクトルの大部分にわたって７５Ｗ ＣＷ Ｘｅランプより小さいが、より多くの深紫外線光を有する。効率は、上述の第１の実施形態の平均モードより高い。
２.１.１ 楕円偏光分析
変調楕円偏光計の単一チャネルで測定された信号は、
Figure 2006516731
であり、ここで、Δは、試料による光位相シフトであり、δは、変調器の光位相シフトであり、δ＝δ0ｓｉｎωｔである（上式は、Ｃ／λまでの波長によって変化する）。
短時間にわたって測定する場合には、例えば、次の表に示すように、ωｔの特定値におけるΙを記録する。
Figure 2006516731
ωｔ＝０、π／２、π及び３π／２において輝度の４つの測定を行うと、次の比を求めることができる。
Figure 2006516731

Figure 2006516731
分母は、ｃｏｓδ0の項を除去するが、線形寄与を大きくするＡ＋Ｃとすることができることに注目されたい。δ0＝π／２及びｃｏｓδ0＝０の場合に最良に作用するが、δ0の波長変動が、全波長についてこれを阻止する。
Figure 2006516731
に注目されたい。
関数（ｘ´，ｙ´）は、通常の変調楕円偏光関数（ｘ，ｙ）に近く、後者は直接（ｘ´，ｙ´）から導出することができ、そのスケーリングはδ0及びｘ´によって決まる。
Figure 2006516731
ｃｏｓδ0（１＋ｘ´）＝１の場合に共振が起こり、ｙについてもδ0＝πのときに共振が起こることに注目されたい。これらの共振間には、ｘ´、ｙ´の測定されたパラメータを正確に訂正することができる３の係数の範囲がある。
Ｂ及びＤの測定は、他の位相において行うことができ、例えば、π／４なら、δの値は
Figure 2006516731
となり、それに応じて輝度の範囲が変更されることになることに注目されたい。
２.１.２ スペクトル・クリーンアップ
フラッシュ・ランプにより放出される輝度は、電気トリガ・パルスにより作動させられる短い持続時間の光パルスである。通常は、メインフラッシュに追従してゆっくりと減衰する尾部が存在する。この尾部は、メインフラッシュにより放出されるスペクトルと異なる光スペクトルを有する。従って、スペクトルに依存する光信号は、スペクトルの変化、並びに、時間と共に変わる輝度に関連する第１の変化による時間依存を有することになる。
フラッシュの主要部分のみを調査すれば、スペクトルの変化を削減することができる。尾部の影響を削減する比較的簡単な方法は、フラッシュを作動させる同じトリガの制御を受けるゲート検出器を使用することである。フラッシュ・トリガ・パルスの生成とフラッシュの発生との間には、通常或る程度の一定した遅れがある。従って、この同じトリガ・パルスを使用して、検出器へのゲートを開閉することができる。
ゲート・コントローラ１４は、フラッシュが発生する前に増倍器１１を開放する。次に、増倍器は、該増倍器がメインフラッシュの後で直ちに閉鎖されるように、選択された時間間隔の後に閉鎖することができ、それにより尾部の検出が排除される。この方法は、実際にうまく作動することが示された。ゲーティング間隔は、フラッシュによる検出器の積分信号を記録し、次いでゲート閉鎖までの間隔を積分信号が減少し始めるまで短くすることによって、フラッシュと増倍器との組み合わせに関連した特定の遅れに合わせて調整された。増倍器の閉鎖までの時間を短くすることによって積分強度が〜１０％だけ減少されたときに起こる信号のクリーンアップを観察した。
増倍器技術が高電圧の高速切り換えに依存するため、増倍器をＣＣＤに付加することは高価な選択である。幾つかのＣＣＤ（例えば、ライン間転送）は、１０マイクロ秒ほどの短い時間間隔を下回る露光制御を行うことができる。従って、図５に示されるＩＣＣＤを使用する代わりに、電子回路が（ｉ）露光を開始し、（ｉｉ）フラッシュ・トリガを送信し、（ｉｉｉ）尾部を遮断するのに適当な時間で露光を停止する、正確なタイミングを有する場合には、増倍器を必要とすることなく、これらのカメラを使用することができる。タイミングには、特定のフラッシュ／カメラの組み合わせに合わせるために慎重な調整が必要となるが、フラッシュが露光間隔の最終部において発生するような調整が容易に達成される。
２.１.３ 例示的な手順
図６は、図５のシステムの例示となる作動を示す。ゲート・コントローラ１４は、（ｂ）から（ｅ）に示すように、フラッシュ・ランプ及びゲート制御信号の位相を制御する。
手順は、次の通りである。
露光１： 位相点Ａにおけるフラッシュ・ランプのｎ回のフラッシュでＣＣＤを露光する。フラッシュ・ランプは、典型的には、１００Ｈｚから３００Ｈｚの範囲のペースでフラッシュできる。値ｎは、ＣＣＤがほぼ完全に露光されるように選択される。露光１の１回のみのフラッシュの間のフラッシュ・ランプ出力が（ｂ）において示され、ゲート制御信号は（ｃ）において示される。値ｎは、典型的には、２つか又は３つの値を取ることができる。
読み取り１： ＣＣＤを読み取る。
露光２： 位相点Ｂにおけるフラッシュ・ランプのｎ回のフラッシュでＣＣＤを露光する。露光２の１回のみのフラッシュの間のフラッシュ・ランプ出力が（ｄ）に示され、ゲート制御信号は（ｅ）に示される。
読み取り２： ＣＣＤを読み取る。
露光３： 位相点Ｃにおけるフラッシュ・ランプのｎ回のフラッシュでＣＣＤを露光する。露光３の間のフラッシュ・ランプの出力及びゲート制御信号は図６に示されていない。
読み取り３： ＣＣＤを読み取る。
露光４： 位相点Ｄにおけるフラッシュ・ランプのｎ回のフラッシュでＣＣＤを露光する。露光４の間のフラッシュ・ランプの出力及びゲート制御信号は図６に示されていない。
読み取り４： ＣＣＤを読み取る。
次に、上記のステップを繰り返す。
２.１.４ 実験データ
図９は、トリガ・フラッシュ・ランプ法を用いたスペクトル生データを示すグラフである。
３．用途
３.１ 分光楕円偏光計
既述の例では、本発明は、分光楕円偏光計に採用される。分光楕円偏光計は、ＩＣＣＤの表面にわたって戻りビームを分散させる分光写真器２０を含んでいたので、各々のピクセルが、その関連する波長の輝度を記録する。
３.２ 画像形成楕円偏光計
この用途では、試料は、コンデンサにより照射され、次いで、対物レンズが、マルチチャネルＣＣＤ又はＩＣＣＤ上に該試料の画像を形成する。次に、上述の手順の１つ又は他のものを用いて画像の各地点についての楕円率パラメータを見出すことができる。コンピュータは、所望の対象領域（ＲＯＩ）内の又は全画像領域にわたる楕円率パラメータを算出し、所望の形式で該楕円率パラメータを表示することができる。例えば、楕円率パラメータｘ又はｙは、画像内の各ピクセルの輝度が試料表面上のその地点におけるパラメータ値を示す、グレースケール画像内で表すことができる。
４．要約
本発明がその実施形態の説明により例示され、且つ、実施形態を詳細に説明してきたが、添付の請求項の範囲をそのような詳細に限定するか又は多少なりとも制限することは、出願人の意向ではない。さらなる利点及び修正が、当業者には容易に明らかになるであろう。それゆえ、そのより幅広い態様における本発明は、特定の詳細、代表的な装置及び方法、並びに示され説明された図示例に限定されるものではない。従って、出願人の一般的な発明概念の精神又は範囲から逸脱することなく、そのような詳細から逸脱することができる。
分光楕円偏光計を示す。 第１の測定工程についてのタイミングを示す。 第２の測定工程についてのタイミングを示す。 第３の測定工程についてのタイミングを示す。 トリガ・フラッシュ・ランプを有する分光楕円偏光計を示す。 第４の測定工程についてのタイミングを示す。 予備データを示すグラフである。 正規化データを示すグラフである。 トリガ・フラッシュ・ランプ法を用いたスペクトル生データを示すグラフである。

Claims (38)

  1. 試料の測定を行う方法であって、
    偏光照射ビームを前記試料に照射し、
    前記試料からの戻りビームを直線偏光させ、
    一次変調信号に従って複屈折変調器で前記照射ビーム又は戻りビームを変調し、
    前記一次変調信号との所定の位相関係を有する二次変調信号を生成し、
    複数の検出要素を有するマルチチャネル検出器上に前記戻りビームを方向付け、
    各々の検出要素において検出値を同時に生成し、
    前記同時に生成された検出値を処理して、各々の値がそれぞれの検出要素に対応し、前記試料により誘起された前記照射ビーム上の変化の指標となる複数の値を求め、
    前記二次変調信号に従って前記照射又は戻りビームを変調するか、又は前記二次変調信号に従って前記検出値の生成又は処理を制御する、
    ことを含む方法。
  2. 前記二次変調信号が、２つ又はそれ以上の測定モード間で順に交互に起こることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記二次変調信号が、第１の測定モード間で前記一次変調信号と第１の位相関係を有するとともに、第２の測定モード間で前記一次変調信号と第２の位相関係を有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 前記二次変調信号が、前記第１の測定モード間で前記一次変調信号と前記第１の位相関係を有する一連のパルスと、前記第２の測定モード間で前記一次変調信号と前記第２の位相関係を有する一連のパルスとを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
  5. 前記二次変調信号が、前記第１の測定モード間で第１のパルス幅を有する一連のパルスと、前記第２の測定モード間で第２のパルス幅を有する一連のパルスとを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
  6. 前記二次変調信号が、第１の測定モード間で第１の周波数成分と、第２の測定モード間で第２の周波数成分とを有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
  7. 前記二次変調信号が、前記第１の測定モード間で前記一次変調信号の周波数の１つ又はそれ以上の第１の組の高調波と、前記第２の測定モード間で前記一次変調信号の周波数の１つ又はそれ以上の第２の組の高調波とを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
  8. 前記二次変調信号が、前記第１の測定モード間で第１の周波数における矩形波パルス列と、前記第２の測定モード間で第２の周波数における矩形波パルス列とを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
  9. 前記二次変調信号が、３つ又はそれ以上の測定モード間で順に切り換わることを特徴とする請求項２〜８のいずれか１項に記載の方法。
  10. 前記測定モードの１つが、直流測定モードであることを特徴とする請求項２〜９のいずれか１項に記載の方法。
  11. 前記照射又は戻りビームが、該ビームの経路内のゲートを開閉することによって前記二次変調信号に従って変調されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
  12. 前記照射ビームが、放射線源をオンに及びオフにすることによって前記二次変調信号に従って変調されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
  13. 前記放射線源が、フラッシュ・ランプ源であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
  14. 前記放射線源が、ガス放電ランプであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
  15. 一連の放射パルスを生成するために前記放射線源がオンに及びオフにされ、前記方法がさらに、各々の放射パルス間で前記照射ビーム又は戻りビームの前記経路内のゲートを閉鎖するか、又は各々の放射パルス間で前記検出器の利得を減少させること含む、請求項１２、請求項１３、又は請求項１４に記載の方法。
  16. 前記照射ビームが、放射線源の強度を変化させることによって前記二次変調信号に従って変調されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
  17. 前記放射線源が、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
  18. 前記検出値の前記生成又は処理が、前記二次変調信号に従って前記マルチチャネル検出器の利得を変化させることによって制御されることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の方法。
  19. 前記マルチチャネル検出器が、積分検出器であることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
  20. 前記マルチチャネル検出器から前記検出値を連続的に読み取ることをさらに含むことを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に記載の方法。
  21. 前記マルチチャネル検出器が、電荷結合素子であることを特徴とする請求項１〜２０のいずれか１項に記載の方法。
  22. 前記マルチチャネル検出器が、前記一次変調信号の時間より長い応答時間を有することを特徴とする請求項１〜２１のいずれか１項に記載の方法。
  23. 各々の組の検出値が前記複屈折変調器の異なる所定の位相に対応する、複数の組の検出値を生成することをさらに含む請求項１〜２２のいずれか１項に記載の方法。
  24. 前記複屈折変調器が光弾性変調器であることを特徴とする請求項１〜２３のいずれか１項に記載の方法。
  25. 前記複屈折変調器が共振変調器であることを特徴とする請求項１〜２４のいずれか１項に記載の方法。
  26. 前記値を表す２次元画像を表示することをさらに含む請求項１〜２５のいずれか１項に記載の方法。
  27. 前記戻りビームを波長分散要素上に向けることをさらに含む請求項１〜２６のいずれか１項に記載の方法。
  28. 各々の値が楕円率値を含むことを特徴とする請求項１〜２７のいずれか１項に記載の方法。
  29. 放射線源と、
    偏光子と、
    一次変調信号に従って照射ビーム又は戻りビームを変調するように構成された複屈折変調器と、
    検光子と、
    前記一次変調信号と所定の位相関係を有する二次変調信号を生成する手段と、
    各々の検出要素において検出値を同時に生成するように構成された複数の検出要素を有するマルチチャネル検出器と、
    前記同時に生成された検出値を処理して、各々の値がそれぞれの検出要素に対応し、試料により誘起された前記照射ビーム上の変化の指標となる複数の値を求めるプロセッサと、
    前記二次変調信号に従って前記照射ビーム又は戻りビームを変調するか、又は前記二次変調信号に従って前記検出値の生成又は処理を制御する手段と、
    を含む測定装置。
  30. 請求項１〜２８のいずれか１項に記載の方法を実行するように構成されたことを特徴とする請求項２９に記載の装置。
  31. 試料の測定を行う方法であって、
    偏光照射ビームを前記試料に照射し、
    前記試料からの戻りビームを直線偏光させ、
    光弾性変調器で前記照射ビーム又は戻りビームを変調し、
    複数の検出要素を有するマルチチャネル検出器上に前記戻りビームを方向付け、
    各々の検出要素において検出値を同時に生成し、
    前記同時に生成された検出値を処理して、各々の値がそれぞれの検出要素に対応し、前記試料により誘起された前記照射ビーム上の変化の指標となる複数の値を求める、
    ことを含む方法。
  32. 請求項３１及び請求項１〜２８のいずれか１項に記載の方法
  33. 放射線源と、
    偏光子と、
    光弾性変調器と、
    検光子と、
    各々の検出要素において検出値を同時に生成するように構成された複数の検出要素を有するマルチチャネル検出器と、
    前記同時に生成された検出値を処理して、各々の値がそれぞれの検出要素に対応し、試料により誘起された照射ビーム上の変化の指標となる複数の値を求めるプロセッサと、
    を含む測定装置。
  34. 請求項１〜２８のいずれか１項、請求項３１、又は請求項３２に記載の方法を実行するように構成されたことを特徴とする請求項３３に記載の装置。
  35. 試料の測定を行う方法であって、
    偏光照射ビームを前記試料に照射し、
    前記試料からの戻りビームを直線偏光させ、
    一次変調信号に従って複屈折変調器で前記照射ビーム又は戻りビームを変調し、
    複数の検出要素を有し、前記一次変調信号の時間より長い応答時間を有するマルチチャネル検出器上に前記戻りビームを方向付け、
    各々の検出要素において検出値を同時に生成し、
    前記同時に生成された検出値を処理して、各々の値がそれぞれの検出要素に対応し、前記試料により誘起された前記照射ビーム上の変化の指標となる複数の値を求める、
    ことを含む方法。
  36. 請求項３５、及び請求項１〜２８、３１又は３２のいずれか１項に記載の方法。
  37. 放射線源と、
    偏光子と、
    一次変調信号に従って照射ビーム又は戻りビームを変調するように構成された複屈折変調器と、
    検光子と、
    各々の検出要素において検出値を同時に生成するように構成された複数の検出要素を有し、前記一次変調信号の時間より長い応答時間を有するマルチチャネル検出器と、
    前記同時に生成された検出値を処理して、各々の値がそれぞれの検出要素に対応し、前記試料により誘起された前記照射ビーム上の変化の指標となる複数の値を求めるプロセッサと、
    を含む測定装置。
  38. 請求項１〜２８、３１、３２、３５、又は３６のいずれか１項に記載の方法を実行するように構成されたことを特徴とする請求項３７に記載の装置。
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