JP3141499B2 - Ellipsometer parameter measurement method and ellipsometer - Google Patents

Ellipsometer parameter measurement method and ellipsometer

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JP3141499B2
JP3141499B2 JP04062535A JP6253592A JP3141499B2 JP 3141499 B2 JP3141499 B2 JP 3141499B2 JP 04062535 A JP04062535 A JP 04062535A JP 6253592 A JP6253592 A JP 6253592A JP 3141499 B2 JP3141499 B2 JP 3141499B2
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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正確に測定す
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及びこの方法を用いたエリプソメー
タに係わり、特に、検出された複数の光強度から統計的
手法を用いて高精度のエリプソパラメータを計算するエ
リプソパラメータ測定方法及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 accurately measuring a thin film thickness and an ellipsometer using the method. The present invention relates to an ellipsometer parameter measuring method and an ellipsometer for calculating a highly accurate ellipsometer parameter using a statistical method.

【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
ソメトリ手法が用いられる。この手法は、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(5)
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] …(5)
2. Description of the Related Art An ellipsometry technique is used as a technique for measuring the thickness of a thin film. This method involves changing the polarization state when light is reflected from a sample surface such as a thin film, that is, the reflectance Rp of a component (P component) parallel to the plane of incidence of the electric field vector.
And the ratio ρ of the reflectance Rs of the vertical component (S component) to (5)
The film thickness d is determined in accordance with a predetermined relationship between the polarization reflectance ratio ρ and the film thickness d that has been established by the equation. ρ = Rp / Rs = tanψexp [jΔ] (5)

【0003】ここで、偏光反射率比ρは、(5) 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により決
定されるΔ,ψを求める必要がある。
[0003] Here, the polarization reflectance ratio ρ is generally a complex number as shown in equation (5), so that two ellipso parameters, that is, an amplitude ratio tanψ and Δ, 決定 determined by a phase difference Δ, are given by: Need to ask.

【0004】従来このエリプソパラメータψ,Δを求め
る手法として、回転検光子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回転する検光子を透過させて受
光器に導く。そして、その時受光器で得られる光強度信
号波形から前記エリプソパラメータを算出する。
Conventionally, as a method of obtaining the ellipsometric parameters ψ and Δ, there is a method called a rotation analyzer method. 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 rotating analyzer and guided to a light receiver. Then, the ellipsometric parameter is calculated from a light intensity signal waveform obtained by the light receiver at that time.

【0005】しかし、一つの測定を実行する場合に必ず
検光子を1回転させて光強度信号を観測する必要がある
ので、必ず、回転させるために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膜厚
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
測定対象を測定することはできなかった。
However, when performing one measurement, it is necessary to rotate the analyzer by one rotation to observe the light intensity signal, so that a certain time or more is required for the rotation. Therefore, it is impossible to measure the film thickness of the measurement object moving at high speed. In addition, the presence of mechanically movable parts makes the apparatus itself large, and cannot be installed on a production line or the like in a factory to measure, for example, a continuously supplied measurement object online.

【0006】このような不都合を解消するために、図1
6に示すように、可動部分を除去した3チャンネルのエ
リプソメータが開発されている(特開昭63−3610
5号公報,特開平1−28509号公報)。
In order to eliminate such inconvenience, FIG.
As shown in FIG. 6, a three-channel ellipsometer in which a movable portion is removed has been developed (JP-A-63-3610).
No. 5, JP-A-1-28509).

【0007】例えばレーザ光源1から出力された単一波
長を有する光は偏光子2にて直線偏光に変換されて測定
対象としての試料面3に所定角度φで入射する。なお、
試料面3において、入射面は紙面と平行であり、図示す
るように入射面と平行する方向をP方向,入射面と直交
する方向をS方向とする。試料面3からの反射光は3個
の無偏光のビームスプリッタ4a,4b,4cによって
3本の光に分岐される。
For example, light having a single wavelength output from a laser light source 1 is converted into linearly polarized light by a polarizer 2 and is incident on a sample surface 3 to be measured at a predetermined angle φ. In addition,
On the sample surface 3, the incident surface is parallel to the paper surface, and as shown in the drawing, the direction parallel to the incident surface is defined as P direction, and the direction orthogonal to the incident surface is defined as S direction. The reflected light from the sample surface 3 is split into three beams by three non-polarized beam splitters 4a, 4b, and 4c.

【0008】そして、二つのビームスプリッタ4a,4
bを透過した光は検光子5aおよび集光レンズ6aを介
して受光器7aへ入射される。受光器7aはその光強度
I1を検出する。同様に、ビームスプリッタ4aを透過
して次のビームスプリッタ4bで反射された光は検光子
5bおよび集光レンズ6bを介して受光器7bへ入射さ
れる。受光器7bはその光強度I2 を検出する。さら
に、ビームスプリッタ4aで反射され次のビームスプリ
ッタ4cを透過した光は検光子5cおよび集光レンズ6
cを介して受光器7cへ入射される。受光器7cはその
光強度I3 を検出する。
Then, the two beam splitters 4a and 4
The light transmitted through b is incident on the light receiver 7a via the analyzer 5a and the condenser lens 6a. The light receiver 7a detects the light intensity I1. Similarly, the light transmitted through the beam splitter 4a and reflected by the next beam splitter 4b enters the light receiver 7b via the analyzer 5b and the condenser lens 6b. The light receiver 7b detects the light intensity I2. Further, the light reflected by the beam splitter 4a and transmitted through the next beam splitter 4c is transmitted to the analyzer 5c and the condenser lens 6c.
The light is incident on the light receiver 7c via c. The light receiver 7c detects the light intensity I3.

【0009】ここで、検光子5aの偏光方向が基準方向
(方位0°)に設定され、検光子5bの偏光方向が前記
基準方向に対して+45°傾斜して設定され、検光子5
cの偏光方向が前記基準方向に対して−45°傾斜して
設定されている。なお、前記基準方向は、受光器7a側
から見て図中矢印a方向で示すように、試料面3への光
の入射面に平行な方向(P方向)を方位0°とする方向
である。また、前記角度は受光器7a側から見て基準方
向から反時計回りにとってある。
Here, the polarization direction of the analyzer 5a is set to the reference direction (azimuth 0 °), and the polarization direction of the analyzer 5b is set to be inclined by + 45 ° with respect to the reference direction.
The polarization direction of c is set to be inclined at -45 ° with respect to the reference direction. The reference direction is a direction in which a direction (P direction) parallel to the plane of incidence of light on the sample surface 3 is an azimuth of 0 °, as indicated by an arrow a direction in the drawing when viewed from the light receiver 7a side. . The angle is set counterclockwise from the reference direction when viewed from the light receiver 7a side.

【0010】したがって、試料面3にて反射された光が
図14に示すように楕円偏光されていた場合において
は、受光器7aにて得られる光強度I1 は図17に示す
楕円偏光における横軸(0°方向)への正投影の振幅を
示す。また、受光器7bにて得られる光強度I2 は楕円
偏光における+45°傾斜した線への正投影の振幅を示
す。さらに、受光器7cにて得られる光強度I3 は楕円
偏光における−45°傾斜した線への正投影の振幅を示
す。
Therefore, when the light reflected on the sample surface 3 is elliptically polarized as shown in FIG. 14, the light intensity I1 obtained by the photodetector 7a is the horizontal axis of the elliptically polarized light shown in FIG. The amplitude of the orthogonal projection to the (0 ° direction) is shown. The light intensity I2 obtained by the photodetector 7b indicates the amplitude of the orthogonal projection of the elliptical polarized light onto a line inclined at + 45 °. Further, the light intensity I3 obtained by the light receiver 7c indicates the amplitude of the orthogonal projection of the elliptically polarized light on the line inclined at -45 °.

【0011】いま、角度Ai(i=1,2,3) の偏光方向の光を
検出する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・ベクトルを用いて(6) 式で示
される。
Now, the output waveform of the light intensity obtained by the photodetector that detects the light in the polarization direction at the angle Ai (i = 1, 2, 3) is calculated by using the Jones vector except for a constant multiple. 6) It is shown by the equation.

【0012】[0012]

【数2】 (Equation 2)

【0013】は、P偏光とS偏光との振幅比χ,位相差
φ0 の入射偏光を示している。jは虚数単位である。
(7) 式の第1成分はP偏光成分を示し、第2成分はS偏
光成分を示している。また、
[0013] indicates incident polarized light having an amplitude ratio χ of P-polarized light and S-polarized light and a phase difference φ 0 . j is an imaginary unit.
The first component of the equation (7) indicates a P-polarized component, and the second component indicates an S-polarized component. Also,

【0014】[0014]

【数3】 は、角度Aiで置かれた検光子を示す行列である。そし
て、(6) 式において、 A1= 0°,σ1 =σT2 , φ1 =0 A2=+45°,σ2 =σTσR, φ2 =0 A3=−45°,σ3 =σTσR, φ3 =0 …(11) とすると、(6) 式から、各チャンネルで得られる光強度
Ii (i=1,2,3) は受光器のゲインを適当に選べば(12)式
に示すようになる。 I1 =I0 tan2 ψ I2 =[I0 /2]×[ tan2 ψ+(σT・σR・χ)2 +2σT・σR・χ・ tanψ・cos(Δ−φ0 ) ] I3 =[I0 /2]×[ tan2 ψ+(σT・σR・χ)2 −2σT・σR・χ・ tanψ・cos(Δ−φ0 ) ] …(12) 但し、I0 は入射光の強度や測定対象の反射率に依存す
る定数である。
(Equation 3) Is a matrix showing analyzers placed at an angle Ai. Then, in equation (6), A1 = 0 °, σ1 = σT 2 , Φ 1 = 0 A2 = + 45 °, σ2 = σTσR, φ 2 = 0 A3 = -45 °, σ3 = σTσR, φ 3 = 0 ... When (11), from (6), obtained in the respective channels The light intensity Ii (i = 1, 2, 3) becomes as shown in equation (12) if the gain of the light receiver is appropriately selected. I1 = I 0 tan 2 ψ I2 = [I 0/2 ] × [tan 2 ψ + (σT ・ σR ・ χ) 2 + 2σT · σR · χ · tanψ · cos (Δ-φ 0)] I3 = [I 0/2] × [tan 2 ψ + (σT ・ σR ・ χ) 2 −2σT · σR · χ · tanψ · cos (Δ−φ 0 )] (12) where I 0 is a constant that depends on the intensity of the incident light and the reflectance of the object to be measured.

【0015】したがって、これら式(12)に示す3つの式
からなる連立方程式を解くことによって、エリプソパラ
メータの位相差Δおよび振幅比 tanψを各光強度I1 ,
I2,I3 ,から下式(13a)(13b)にて求めることができ
る。 cos(Δ−φ0 )=[(I2 −I3 )/2I1 ] ×[I1 /(I2 +I3 −I1 )]1/2 …(13a) tanψ=|σT・σR・χ|[I1 /(I2 +I3 −I1 )]1/2 …(13b)
Therefore, by solving the simultaneous equations consisting of the three equations shown in equation (12), the phase difference Δ and the amplitude ratio tanψ of the ellipsometric parameters can be calculated for each light intensity I 1,
It can be calculated from I2 and I3 by the following equations (13a) and (13b). cos (Δ−φ 0 ) = [(I 2 −I 3) / 2I 1] × [I 1 / (I 2 + I 3 −I 1)] 1/2 … (13a) tanψ = | σT · σR · χ | [I1 / (I2 + I3-I1)] 1/2 … (13b)

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図16
に示した従来のエリプソメータにおいてもまだ改良すべ
き次のような課題があった。
However, FIG.
The conventional ellipsometer described in (1) has the following problems to be improved.

【0017】すなわち、各受光器7a〜7cにて検出さ
れた3つの光強度I1 〜I3 を用いて楕円偏光の形状を
計算している。したがって、3つの光強度のうち1つで
も誤差の大きい光強度が混在すると、計算されたエリプ
ソパラメータΔ,ψの誤差率がこの最も誤差の大きい光
強度の誤差率と同等程度になる。よって、このエリプソ
メータで測定されたエリプソパラメータの測定精度が低
下する。
That is, the shape of the elliptically polarized light is calculated using the three light intensities I1 to I3 detected by the light receivers 7a to 7c. Accordingly, if any one of the three light intensities has a large error, the error rate of the calculated ellipsometric parameters Δ and ψ is approximately equal to the error rate of the light error with the largest error. Therefore, the measurement accuracy of the ellipsometer parameter measured by the ellipsometer decreases.

【0018】例えば、図17に示す楕円形状がもっと偏
平形状になると、3つの光強度I1,I2 ,I3 のうち
の3番目の光強度I3 のみが他の光強度I1 ,I2 に比
較して極端に小さい値となる。
For example, if the elliptical shape shown in FIG. 17 becomes more flat, only the third light intensity I3 of the three light intensities I1, I2, I3 is extremely higher than the other light intensities I1, I2. Is small.

【0019】一方、前述した各エリプソパラメータψ,
Δを例えばコンピュータで算出するためにアナログの各
光強度I1 〜I3 をA/D変換器でデジタル値に変換す
る必要がある。したがって、一つの光強度のみが値が小
さいと、A/D変換された値の有効桁数が少なくなり、
各光強度は大きな誤差を含むことになる。その結果、算
出されたエリプソパラメータψ,Δの精度が低下し、最
終的に得られる膜厚dの測定精度が低下する問題が生じ
る。
On the other hand, the above-mentioned ellipsometric parameters ψ,
In order to calculate Δ by, for example, a computer, it is necessary to convert each of the analog light intensities I1 to I3 into a digital value by an A / D converter. Therefore, if only one light intensity has a small value, the number of significant digits of the A / D converted value decreases,
Each light intensity will contain a large error. As a result, the accuracy of the calculated ellipsometric parameters ψ and Δ decreases, and the measurement accuracy of the finally obtained film thickness d decreases.

【0020】このように、図16に示す3チャンネルの
エリプソメータは、可動部分が存在しないため、高速に
測定対象の膜厚を測定できる極めて有用な装置であるに
もかかわらず、上述したように測定対象によっては測定
精度が、先に説明した回転検光子を用いたエリプソメー
タに比較して劣る懸念がある。
As described above, the three-channel ellipsometer shown in FIG. 16 has no movable part, and thus is a very useful device capable of measuring the film thickness of the object to be measured at high speed. Depending on the object, there is a concern that the measurement accuracy is inferior to the ellipsometer using the rotary analyzer described above.

【0021】なお、同一測定点における測定回数を増や
して測定結果の平均値をとれば、誤差はある程度圧縮さ
れるが、同一測定点を繰り返し測定すると全体の測定時
間がが長くなるのみならず、例えば工場の製造ラインに
おける膜厚検査等の高速で移動している測定対象には適
用できない。
Note that if the number of measurements at the same measurement point is increased and the average value of the measurement results is taken, the error is reduced to some extent, but if the same measurement point is repeatedly measured, not only does the entire measurement time become longer, For example, it cannot be applied to a measurement object moving at a high speed, such as a film thickness inspection in a factory production line.

【0022】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有する
反射光を互いに偏光方向が異なる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、全部の各光強
度を統計的処理することによって、算出されたエリプソ
パラメータの誤差率を大幅に低減でき、高い測定速度を
維持したままで、膜厚測定精度を大幅に向上できるエリ
プソパラメータ測定方法及び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 reflected light having elliptically polarized light reflected by a measurement object into four or more polarization components having different polarization directions from each other. By detecting the light intensities of the components and statistically processing all the light intensities, the error rate of the calculated ellipsometric parameters can be greatly reduced, and the film thickness measurement accuracy can be improved while maintaining a high measurement speed. It is an object of the present invention to provide an ellipsometric parameter measurement method and an ellipsometer that can be significantly improved.

【0023】[0023]

【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つ以上の複
数の偏光成分に分離し、この分離された複数の偏光成分
の光強度から、例えば最小2乗法等の統計的手法を用い
て、反射光における位相差Δおよび振幅比 tanψから決
定されるエリプソパラメータΔ,ψを求める。
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 a plurality of different four or more polarization components, and from the light intensities of the separated plural polarization components, the phase difference Δ and the amplitude ratio tan に お け る in the reflected light are determined using a statistical method such as a least square method. The ellipsometric parameters Δ and ψ to be determined are obtained.

【0024】また、本発明のエリプソメータは、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偏光方向以
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複数の受光器と、
この複数の受光器にて検出された複数の光強度から統計
的手法を用いて、前記反射光における位相差Δおよび振
幅比 tanψから決定されるエリプソパラメータΔ,ψを
求める演算部とを備えている。さらに、別の発明のエリ
プソメータにおいて、演算部は下式(1)(2)(3)(4)に示す
統計的手法を用いてエリプソパラメータΔ,ψ算出す
る。 tanψ=(A/C)1/2 …(1) cos(Δ−φ0 −φB )=(B/C)(C/A)1/2 …(2) ここで、A,B,Cは、
Further, the ellipsometer of the present invention comprises a light source section for causing polarized light to enter a measurement object at a predetermined angle, and an optical element for separating reflected light reflected by the measurement object into polarization components having four or more different polarization directions. System, and a plurality of light receivers for detecting the light intensity of each polarization component separated by this optical system,
An arithmetic unit for obtaining ellipso parameters Δ, さ れ る determined from the phase difference Δ and the amplitude ratio tan に お け る in the reflected light using a statistical method from the plurality of light intensities detected by the plurality of light receivers. I have. Further, in the ellipsometer of another invention, the calculation unit calculates the ellipsometric parameters Δ, ψ by using a statistical method represented by the following equations (1), (2), (3), and (4). tanψ = (A / C) 1/2 … (1) cos (Δ−φ 0 −φ B ) = (B / C) (C / A) 1/2 … (2) where A, B, and C are

【0025】[0025]

【数4】 但し、 xi = cos2 Ai yi =2σi ・χ・ cosAi・ sinAi zi =Ii ui =−(σi ・χ)2 sin2 Ai …(4) (Equation 4) Where x i = cos 2 Ai y i = 2σi · χ · cosAi · sinAi z i = Ii u i = - (σi · χ) 2 sin 2 Ai… (4)

【0026】である。また、Aiは測定対象へ入射光の入
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 (i=1,2,3,……) ,φB は反射光を複数の偏光
成分に分離する光学系によって定まる定数であり、χ,
φ0 は入射光の偏光状態で定まる定数であり,Ii (i=
1,2,3,……) は受光器にて検出される光強度であり、ま
た、wi (i=1,2,3,……) は重み関数である。なお、各
重み関数wi (i=1,2,3,……) は該当チャンネルiの光
強度Ii の関数であることが好ましい。
## EQU1 ## Further, Ai is the azimuth angle of the polarization of the reference direction and a direction parallel to the plane of incidence of the incident light to the measurement target, σi (i = 1,2,3, ...... ), φ B is the reflected light a plurality of It is a constant determined by the optical system that separates the polarization components.
φ 0 is a constant determined by the polarization state of the incident light, and I i (i =
..) Are light intensities detected by the light receiver, and w i (i = 1, 2, 3,...) Is a weight function. Each weighting function w i (i = 1, 2, 3,...) Is preferably a function of the light intensity Ii of the corresponding channel i.

【0027】また、別の発明のエリプソメータにおい
て、反射光を互いに異なる4偏光方向以上の偏光成分に
分離する光学系は、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ている。
Further, in the ellipsometer of another invention, the optical system for separating the reflected light into polarized light components having four or more different polarization directions from each other splits the reflected light reflected from the object to be measured into light in a plurality of different directions. It is composed of a non-polarization beam splitter and a plurality of polarization beam splitters that decompose each light split by the non-polarization beam splitter into polarization components in mutually different directions.

【0028】さらに、別の発明のエリプソメータにおい
て、前記光学系は、測定対象にて反射された反射光を互
いに異なる4方向以上の光に分岐する複数の無偏光ビー
ムスプリッタと、この各無偏光ビームスプリッタにて分
岐された各光における互いに異なる方向の偏光成分を透
過させる複数の検光子とで構成されている。
Further, in the ellipsometer according to another invention, the optical system includes a plurality of non-polarizing beam splitters for splitting the reflected light from the object to be measured into light beams in four or more different directions. It is composed of a plurality of analyzers that transmit polarized light components in different directions in each light split by the splitter.

【0029】[0029]

【作用】まず、このように構成されたエリプソパラメー
タ測定方法の動作原理を説明する。
First, the principle of operation of the ellipsometric parameter measuring method thus configured will be described.

【0030】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、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
は測定対象からの反射波のP成分とS成分との振幅比 t
anψと位相差Δから決定される値であるので、楕円形状
および楕円の基準線からの傾き度合いから求まる。した
がって、図17に示すように、楕円を各方向に投影した
最低3つの光強度が得られれば、その楕円は一義的に定
まる。
As described above, when the polarized light from the light source unit enters the measurement object at a predetermined angle φ, the reflected light reflected by the measurement object becomes elliptically polarized light having a fixed shape determined by the film thickness of the measurement object. Become. And the ellipsometric parameters ψ, Δ
Is the amplitude ratio t between the P and S components of the reflected wave from the object to be measured
Since it is a value determined from anψ and the phase difference Δ, it is determined from the elliptical shape and the degree of inclination of the ellipse from the reference line. Therefore, as shown in FIG. 17, if at least three light intensities obtained by projecting an ellipse in each direction are obtained, the ellipse is uniquely determined.

【0031】よって、図2に示すように、基準方向に対
して4つ以上の方向からの投影を求めて、統計的手法を
用いて楕円の形状を求めることが可能である。なお、こ
の場合における統計的手法とは、例えば最小2乗方法や
最小絶対偏差推定法や直交回帰法や単純平均法等の多数
のデータから統計的に誤差が少ないと見なされる値を得
る手法である。したがって、この場合、全ての受光器に
対して誤差が最小と見なせる楕円の形状を求めることが
できる。したがって、算出されたエリプソパラメータ
ψ,Δの精度が向上する。以下上記各式を求める手順を
説明する。例えば、入射光Einを
Therefore, as shown in FIG. 2, it is possible to obtain projections from four or more directions with respect to the reference direction, and obtain the shape of the ellipse by using a statistical method. Note that the statistical method in this case is a method of obtaining a value that is considered to have a statistically small error from a large number of data such as a least square method, a minimum absolute deviation estimating method, an orthogonal regression method, and a simple averaging method. is there. Therefore, in this case, it is possible to obtain an elliptical shape that can be regarded as having the smallest error for all the light receivers. Therefore, the accuracy of the calculated ellipsometric parameters ψ and Δ is improved. Hereinafter, the procedure for obtaining the above equations will be described. For example, the incident light Ein

【0032】[0032]

【数5】 として、偏光方向が方位角Ai(i=1,2,3,4, …,n) 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
を通過した後の電場は Ki R(Ai)PR(-Ai) BSEin (i=1,2, …,n) 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。
(Equation 5) The electric field after passing through an analyzer or a polarizing beam splitter that detects light in the polarization direction with the azimuth angle Ai (i = 1, 2, 3, 4,..., N) is Ki R (Ai) PR (-Ai) BSEin (i = 1, 2,..., N). Here, Ki is a transmission coefficient of each optical path.

【0033】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は反射光を複数
に分割する素子の影響を示す行列、Sは測定対象の影響
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, B is a matrix showing the influence of an element that divides the reflected light into a plurality, and S is a matrix showing the influence of an object to be measured. It is. Each of these matrices is defined as shown below.

【0034】[0034]

【数6】 したがって、受光器にて得られる光強度Ii は(Equation 6) Therefore, the light intensity Ii obtained by the light receiver is

【0035】[0035]

【数7】 となる。但し、Gi は電気系のゲインであり、Kaiは Kai=Ki Kp KbiRs (i=1,2, …,n) である。ここで、適当な手法によって上記ゲインGi を
決めると、(14)式に示す光強度Ii は次式になる。 Ii =I0 [ tan2 ψ・ COS2 Ai+(σi χ)2 sin2 Ai +2σi ・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 −φi )・ cosAi・sinAi ]
(Equation 7) Becomes Here, Gi is the gain of the electric system, and Kai is Kai = Ki Kp KbiRs (i = 1, 2,..., N). Here, when the above-mentioned gain Gi is determined by an appropriate method, the light intensity Ii shown in the equation (14) becomes the following equation. Ii = 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]

【0036】但し、I0 は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。さらに、φi がi に依存し
ない一定値φB であると仮定すると、上記光強度I0
(15)式のように示すことが可能である。 Ii =I0 [ tan2 ψ・ COS2 Ai+(σi χ)2 sin2 Ai +2σi ・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 −φB )・ cosAi・sinAi ] (i=1,2, …,n) …(15) ここで、 a= tan2 ψ b= tanψ・ cos(Δ−φ0 −φB ) c=−1/I0 i = cos2 Ai yi =2σi ・χ・ cosAi・ sinAi zi =Ii ui =−(σi ・χ)2 sin2 Ai (i=1,2, …,n) とおくと、 axi +byi +czi =ui (i=1,2, …,n) …(16)
Here, I 0 is a constant that depends on the incident light intensity, the reflectance of the object to be measured, and the like. Further, assuming that φ i is a constant value φ B independent of i, the light intensity I 0 becomes
It can be shown as in equation (15). Ii = I 0 [tan 2 ψ ・ COS 2 Ai + (σi χ) 2 sin 2 Ai + 2σi · χ · tanψ · cos (Δ−φ 0 −φ B ) · cosAi · sinAi] (i = 1,2,…, n)… (15) where a = tan 2 ψ b = tanψ · cos (Δ -φ 0 -φ B) c = -1 / I 0 x i = cos 2 Ai y i = 2σi · χ · cosAi · sinAi z i = Ii u i = - (σi · χ) 2 sin 2 Ai (i = 1,2, ..., n) and put a, ax i + by i + cz i = u i (i = 1,2, ..., n) ... (16)

【0037】となる。したがって、(xi ,yi
i ,ui )の組が4以上ある場合には統計的手法を用
いて、a,b,cを推定することができる。例えば、3
つの(xi,yi ,zi ,ui )の組からa,b,cを
決める従来のエリプソメータより誤差を小さくすること
ができる。次に、統計的手法のうち、例えば最小2乗法
による推定について考える。例えば、各観測データ(x
i ,yi ,zi ,ui )と未知の回帰直線 u=ax+by+cz とのu方向の距離の平方和である2乗誤差を誤差関数U
(a,b,c)と定義して、この誤差関数 U(a,b,c)=Σ(axi +byi +czi −ui 2
Is as follows. Therefore, (x i, y i,
When there are four or more pairs of z i , u i ), a, b, and c can be estimated using a statistical method. For example, 3
The error can be made smaller than that of a conventional ellipsometer which determines a, b, and c from a set of (x i , y i , z i , u i ). Next, among the statistical methods, for example, estimation by the least square method will be considered. For example, each observation data (x
i , y i , z i , u i ) and the unknown regression line u = ax + by + cz, the square error which is the sum of the squares in the u direction is represented by an error function U
(A, b, c) and this error function U (a, b, c) = {(ax i + by i + cz i -u i ) 2

【0038】が最小になるように、a,b,cの推定値
を求める。ここで、Σはi=1からi=nまでの総和を
算出する演算子である。なお、(17)式に示すように、誤
差関数U(a,b,c)として、重み関数wi を乗算し
た2乗誤差を用いることも可能である。 U(a,b,c)=Σwi (axi +byi +czi −ui 2 …(1
7)
The estimated values of a, b, and c are determined so that is minimized. Here, Σ is an operator for calculating the sum from i = 1 to i = n. Incidentally, as shown in equation (17), the error function U (a, b, c) as it is also possible to use a square error multiplied by the weight function w i. U (a, b, c) = Σw i (ax i + by i + cz i -u i) 2 ... (1
7)

【0039】なお、上記wは0であってもよい。こ
のように、ある光強度Ii の誤差が大きいことが明らか
な時は、wi =0として、予め計算からこの誤差が大き
光強度Ii を除くことができる。また、(17)式で示す2
乗誤差を用いた場合、この2乗誤差U(a,b,c)が
最小になるa,b,cは
[0039] It should be noted that the above-mentioned w i may be zero. As described above, when it is clear that the error of a certain light intensity Ii is large, it is possible to remove the light intensity Ii whose error is large from a calculation in advance by setting w i = 0. In addition, 2 shown in equation (17)
When the square error is used, a, b, and c at which the square error U (a, b, c) is minimized are

【0040】[0040]

【数8】 したがって、この式を解けばよい。すなわち、(Equation 8) Therefore, this equation may be solved. That is,

【0041】[0041]

【数9】 を解いて、下式を得る。 a= tan2 ψ=A/C b= tanψ・ cos(Δ−φ0 −φB )=B/C したがって、前述した(1)(2)式が得られる。 tanψ=(A/C)1/2 …(1) cos(Δ−φ0 −φB )=(B/C)(C/A)1/2 …(2) ここで、A,B,Cは前述した行列式(3) で示すことが
求まる。
(Equation 9)To obtain the following equation. a = tanTwo ψ = A / C b = tanψ · cos (Δ−φ0−φB) = B / C Therefore, the above-described equations (1) and (2) are obtained. tanψ = (A / C)1/2  … (1) cos (Δ−φ0−φB) = (B / C) (C / A)1/2  (2) where A, B, and C are expressed by the determinant (3) described above.
I get it.

【0042】[0042]

【数10】 また、当然、重み関数wi (i=1,2,3,…,n ) の選択方
法によって、A,B,Cの演算結果は異なる。しかし、
この重み関数wi を例えば wi =Ii (i=1,2,3,…,n )
(Equation 10) Naturally, the calculation results of A, B, and C differ depending on the method of selecting the weight function w i (i = 1, 2, 3,..., N). But,
This weighting function w i is, for example, w i = I i (i = 1, 2, 3,..., N)

【0043】等のIi の関数wi =F(Ii )とするこ
とが考えられる。このように、重み関数wi を測定され
た光強度Ii の関数とすることによって、光強度Ii が
大きいチャンネルの光強度の寄与率を大きくして、逆
に、光強度Ii が小さいチャネルの光強度の寄与率を小
さく設定することが可能である。その結果、光強度Ii
が小さい場合に問題となるA/D変換時における誤差の
影響が上記A.B.Cの演算結果に与える程度を軽減で
きる。したがって、最終的にエリプソパラメータΔ,ψ
の測定精度が向上する。なお、前記誤差関数U(a,
b,c)を2乗誤差以外の他の誤差を用いて定義するこ
とも可能である。次に、ゲインの調整方法の一例を説明
する。まず、既知の偏光
It is conceivable that the function w i = F (Ii) of Ii. Thus, by the function of the light intensity Ii measured the weight function w i, by increasing the contribution ratio of the light intensity of the light intensity Ii is large channel, conversely, the light intensity Ii is smaller channel light It is possible to set the contribution ratio of the intensity to be small. As a result, the light intensity Ii
Is small, the influence of the error at the time of A / D conversion, which becomes a problem when A. B. It is possible to reduce the degree of C given to the calculation result. Therefore, finally the ellipsometric parameters Δ, 的 に
Measurement accuracy is improved. Note that the error function U (a,
It is also possible to define b, c) using an error other than the square error. Next, an example of a gain adjustment method will be described. First, the known polarization

【0044】[0044]

【数11】 [Equation 11]

【0045】を反射光が入射される光学系に直接入射し
た場合に受光器から出力される光強度を計算する。この
場合、この光強度Ixiは(14)式と同様に表すことが可能
である。
The light intensity output from the light receiver when the reflected light is directly incident on the optical system on which the reflected light is incident is calculated. In this case, the light intensity Ixi can be expressed in the same manner as in equation (14).

【0046】[0046]

【数12】 但し、 Li =ξ2 ・ COS2 Ai+(σi η)2 sin2 Ai +2(ξ・η・σi ) cos(φi +Φ)・ cosAi・sinAi (i=1,2, …,n) …(19) (19)式において、σi ,φi ,Ai,ξ,η,Φは全て既
知である。よって、Liも既知である。
(Equation 12) Where Li = 2 ・ COS 2 Ai + (σi η) 2 sin 2 Ai + 2 (ξ · η · σi) cos (φ i + Φ) · cosAi · sinAi (i = 1,2,…, n) (19) In equation (19), σi, φ i , Ai, ξ, η , Φ are all known. Therefore, Li is also known.

【0047】次に、全ての光強度Ix1,Ix2,…,Ix
i,…Ixnがある一定値をI0aとして、それぞれ、I0a
L1 ,I0aL2 ,…、I0aLi ,…,I0aLn に等しく
なるようにゲインG1 ,G2 ,…,Gi ,…,Gn を決
める。すなわち、 Gi =I0a/|Kia|2 (i=1,2, …,n) …(20) とすると、前述した(14)式は(21)式のように表現でき
る。 Ii =I0 [ tan2 ψ・ COS2 Ai+(σi χ)2 sin2 Ai −2σi ・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 −φB )・ cosAi・sinAi ] (i=1,2, …,n) …(21) 但し、I0 =I0a|Ep |2 と定義した。したがって、
前述した(15)式が得られる。
Next, all light intensities Ix1, Ix2,.
i, a certain value ... Ixn as I 0a, respectively, I 0a
L1, I 0a L2, ..., I 0a Li, ..., the gain to be equal to I 0a Ln G1, G2, ... , Gi, ..., decide Gn. That is, Gi = I 0a / | Kia | 2 (i = 1, 2,..., n)... (20), the aforementioned equation (14) can be expressed as equation (21). Ii = I 0 [tan 2 ψ ・ COS 2 Ai + (σi χ) 2 sin 2 Ai -2σi · χ · tanψ · cos (Δ−φ 0 −φ B ) · cosAi · sinAi] (i = 1,2,..., N) (21) where I 0 = I 0a | Ep | 2 Defined. Therefore,
Equation (15) described above is obtained.

【0048】よって、上述した手法でもって電気系のゲ
インGi (i=1,2, …,n) を決定すれば、光学系全体の透
過率に依存せずに受光器のゲインを決定し、各受光器の
特性を揃えることがてきる。
Thus, if the gain Gi (i = 1, 2,..., N) of the electric system is determined by the above-described method, the gain of the light receiver is determined without depending on the transmittance of the entire optical system. The characteristics of each light receiver can be made uniform.

【0049】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。また、ゲイン調整に用い
る既知の偏光光線は、各受光器の出力が零でない限り、
原理的にはどのような偏光光線であってもよい。
The gain adjustment process is generally performed by adjusting the actual gain of an amplifier that amplifies the output signal of each photodetector. 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. Also, the known polarized light beam used for gain adjustment, unless the output of each receiver is zero,
In principle, any polarized light beam may be used.

【0050】このように、同時刻で測定された4個以上
の各光強度I1 ,I2 ,…,In を用いて、統計的手法
により最も誤差が少なくなると推定されるエリプソパラ
メータΔ,ψを算出している。よって、本発明は、移動
体における膜厚測定や膜厚の面内測定等を実行できる図
13の従来装置の長所に加えて、測定精度を大幅に向上
できる特徴を有する。
As described above, using the four or more light intensities I 1, I 2,..., In measured at the same time, the ellipsometric parameters Δ, さ れ る estimated to have the smallest error are calculated by the statistical method. are doing. Therefore, the present invention has a feature that the measurement accuracy can be greatly improved in addition to the advantages of the conventional apparatus of FIG. 13 which can execute the film thickness measurement and the in-plane measurement of the film thickness of the moving body.

【0051】[0051]

【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.

【0052】図3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。なお、この実施例エリプソメータにおいては、試料
面からの反射光は4つの偏光成分に分離される(n=
4)。
FIG. 3 is a block diagram showing the entire ellipsometer employing the ellipsometric parameter measuring method of the embodiment. In the ellipsometer of this embodiment, the reflected light from the sample surface is separated into four polarized components (n =
4).

【0053】図中10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。このエリプソ
メータ本体10から出力された各光強度I1 ,I2 ,I
3 ,I4 はA/Dコンバータ11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12へ
入力される。このパーソナルコンピュータ12は、入力
された4つの光強度I1 ,I2 ,I3 ,I4 を用いて最
小2乗法によりエリプソパラメータψ,Δを算出する。
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13の膜厚dを所定の演算
式を用いて算出する。
In the figure, reference numeral 10 denotes an ellipsometer main body housed in a case made of a light metal material. Each light intensity I1, I2, I output from the ellipsometer body 10
3 and I4 are converted into digital values by an A / D converter 11 and then input to a personal computer 12 as an arithmetic unit. The personal computer 12 calculates ellipsometric parameters ψ and Δ by the least squares method using the inputted four light intensities I 1, I 2, I 3 and I 4.
Further, using the calculated ellipsometric parameters と し て and Δ, the film thickness d of the sample surface 13 to be measured is calculated using a predetermined arithmetic expression.

【0054】ここで、A/Dコンバータ11は各光強度
I1 ,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10μse
c である。したがって、パーソナルコンピュータ12に
おける計算時間も含めて、試料面13上のサンプリング
された1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
I1 ,I2 ,I3 ,I4 は同時に測定して電圧保持回路
で保持するので、たとえ試料面13が高速で移動したと
しても充分対処できる。図1は前記エリプソメータ本体
10の内部構成図である。
Here, the A / D converter 11 time-divisionally converts the light intensities I 1, I 2, I 3, I 4 and sequentially performs A / D conversion. The conversion time of one light intensity is about 10 μse
c. Therefore, including the calculation time in the personal computer 12, the measurement time of the ellipsometric parameters ψ and Δ and the film thickness d at one sampled measurement point on the sample surface 13 is about 100 μsec. Since the light intensities I1, I2, I3, and I4 are simultaneously measured and held by the voltage holding circuit, even if the sample surface 13 moves at a high speed, it is possible to cope with the problem. FIG. 1 is an internal configuration diagram of the ellipsometer main body 10.

【0055】例えば半導体レーザ光源14から出力され
た単一波長を有するレーザ光線は偏光子15で直線偏光
に変換される。したがって、半導体レーザ光源14およ
び偏光子15は光源部16を構成する。直線偏光に変換
された入射光17は光源部16から試料面13へ角度φ
で入射される。そして、試料面13で反射された反射光
18は試料面13の膜の存在によって、直線偏光から図
2に示した楕円偏光になり、無偏光ビームスプリッタ1
9へ入射される。
For example, a laser beam having a single wavelength output from the semiconductor laser light source 14 is converted into linearly polarized light by the polarizer 15. Therefore, the semiconductor laser light source 14 and the polarizer 15 constitute a light source unit 16. The incident light 17 converted into the linearly polarized light has an angle φ from the light source 16 to the sample surface 13.
Incident. The reflected light 18 reflected by the sample surface 13 changes from linearly polarized light to elliptically polarized light shown in FIG.
9 is incident.

【0056】無偏光ビームスプリッタ19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18は全く偏光されずに楕円偏光状態を保持したまま
二つの光20a,20bに分岐される。反射された反射
光20aは一方の偏光ビームスプリッタ21へ入射す
る。また、透過した透過光20bは他方の偏光ビームス
プリッタ22へ入射する。
The non-polarizing beam splitter 19 is made of, for example, a non-polarizing glass plate. Then, the incident reflected light 18 is split into two lights 20a and 20b while maintaining the elliptically polarized state without being polarized at all. The reflected light 20a is incident on one polarization beam splitter 21. Further, the transmitted light 20b that has passed enters the other polarization beam splitter 22.

【0057】各偏光ビームスプリッタ21,22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
状態の光を互い直交する2方向の偏光成分に分離してそ
れぞれ透過光と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。
Each of the polarization beam splitters 21 and 22 has the same configuration, and is composed of, for example, a Glan-Thompson prism, a Glan-Taylor prism, etc., and separates the incident elliptically polarized light into two orthogonal polarization components. And output as transmitted light and reflected light, respectively. It should be noted that a Wollaston prism or the like that separates transmitted light into two components at an angle may be used.

【0058】そして、偏光ビームスプリッタ21は、こ
の偏光ビームスプリッタ21の透過光21aの偏光方向
が試料面13への光の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23a側から見て
反時計回りに+90°になるように位置決めされてい
る。そして、偏光ビームスプリッタ21から出力された
偏光方向が+90°の透過光21aは受光器23aへ入
射される。また、偏光ビームスプリッタ21から出力さ
れた偏光方向が0°となる反射光21bは受光器23b
へ入射される。
The polarization beam splitter 21 is arranged such that the direction of polarization of the transmitted light 21 a of the polarization beam splitter 21 is parallel to the plane of incidence of light on the sample surface 13 with respect to the above-described reference direction in which the azimuth is 0 °. It is positioned so as to be + 90 ° counterclockwise when viewed from the light receiver 23a side. Then, the transmitted light 21a having the polarization direction of + 90 ° output from the polarization beam splitter 21 is incident on the light receiver 23a. The reflected light 21b output from the polarization beam splitter 21 and having the polarization direction of 0 ° is received by the light receiver 23b.
Incident on

【0059】さらに、他方の偏光ビームスプリッタ22
は、この偏光ビームスプリッタ22の透過光22a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、偏光ビームスプリッタ22
から出力された偏光方向が+45°の透過光22aは受
光器23cへ入射される。また、偏光ビームスプリッタ
22から出力される偏光方向が−45°となる反射光2
2bは受光器23dへ入射される。
Further, the other polarization beam splitter 22
Are positioned such that the polarization direction of the transmitted light 22a of the polarization beam splitter 22 is + 45 ° with respect to the reference direction. Then, the polarization beam splitter 22
The transmitted light 22a having a polarization direction of + 45 ° output from the optical disc is incident on the light receiver 23c. The reflected light 2 having a polarization direction of −45 ° output from the polarization beam splitter 22.
2b enters the light receiver 23d.

【0060】したがって、受光器23aに入射される透
過光21aによって反射光18の図2に示す楕円偏光の
縦軸に投影した光強度I1 (1チャンネル)が得られ
る。また、受光器23bに入射される反射光21bによ
って楕円偏光の横軸に投影した光強度I2 (2チャンネ
ル)が得られる。さらに、受光器23cに入射される透
過光22aによって楕円偏光の横軸に対して+45°傾
斜した線に対して投影した光強度I3 (3チャンネル)
が得られる。そして、受光器23dに入射される反射光
22bによって楕円偏光の横軸に対して−45°傾斜し
た線に対して投影した光強度I4 (4チャンネル)が得
られる。
Accordingly, the light intensity I1 (one channel) projected on the vertical axis of the elliptically polarized light shown in FIG. 2 of the reflected light 18 by the transmitted light 21a incident on the light receiver 23a is obtained. Also, the light intensity I2 (two channels) projected on the horizontal axis of the elliptically polarized light is obtained by the reflected light 21b incident on the light receiver 23b. Further, the light intensity I3 (3 channels) projected on a line inclined by + 45 ° with respect to the horizontal axis of the elliptically polarized light by the transmitted light 22a incident on the light receiver 23c.
Is obtained. Then, a light intensity I4 (4 channels) projected on a line inclined at -45 DEG with respect to the horizontal axis of the elliptically polarized light is obtained by the reflected light 22b incident on the light receiver 23d.

【0061】すなわち、試料面13からの反射光18は
それぞれ各光強度I1 ,I2 ,I3,I4 を有した90
°,0°,+45°,−45°の4つの方向の各偏光成
分に分離される。
That is, the reflected light 18 from the sample surface 13 has the respective light intensities I 1, I 2, I 3 and I 4 respectively.
The light is separated into polarization components in four directions of °, 0 °, + 45 °, and -45 °.

【0062】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、最小2乗法を用いて反射光1
8の楕円偏光を特定するエリプソパラメータψ,Δが算
出される。
Then, as described above, using these four light intensities I 1 to I 4, the reflected light 1 is obtained by the least squares method.
Ellipsometric parameters ψ and Δ that specify the eight elliptically polarized lights are calculated.

【0063】また、この実施例エリプソメータにおいて
は、円偏光の試験光を無偏光ビームスプリッタ19へ入
射して、電気系のゲイン調整を実行している。すなわ
ち、前述した(19)式において、|ξ|=|η|=1,Φ
=90°とすると、この実施例エリプソメータにおいて
は、φi =0,σ1 =σ2 =σR,σ3 =σ4 =σTと
なるので、L1 ,L2 ,L3 ,L4 は、 L1 =σR2 L2 =1 L3 =(1+σT 2 )/2 L4 =(1+σT2 )/2 となる。したがって、各受光器23a,23b,23
c,23dにて検出される各光強度I1 ,I2 ,I3 ,
I4 はそれぞれ次式で示される。 I1 =I0 ・σR2 χ2 I2 =I0 ・ tan2 ψ I3 =I0 [ tan2 ψ+(σT・χ)2 +2σT・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 −φT )] I4 =I0 [ tan2 ψ+(σT・χ)2 −2σT・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 −φT )] …(22)
In the ellipsometer of this embodiment,
Enters the circularly polarized test light into the unpolarized beam splitter 19.
To adjust the gain of the electrical system. Sand
That is, in the aforementioned equation (19), | ξ | = | η | = 1, Φ
= 90 °, the ellipsometer of this embodiment
Are: φi = 0, σ1 = σ2 = σR, σ3 = σ4 = σT
Therefore, L1, L2, L3, and L4 are given by L1 = σRTwo L2 = 1 L3 = (1 + σT) Two ) / 2 L4 = (1 + σT)Two ) / 2. Therefore, each of the light receivers 23a, 23b, 23
c, 23d, the light intensities I1, I2, I3,
I4 is represented by the following equation. I1 = I0・ ΣRTwo χTwo  I2 = I0・ TanTwo ψ I3 = I0[TanTwo ψ + (σT ・ χ)Two  + 2σT ・ χ ・ tan co ・ cos (Δ−φ0−φT)] I4 = I0[TanTwo ψ + (σT ・ χ)Two  −2σT · χ · tanψ · cos (Δ−φ0−φT)] …(twenty two)

【0064】但し、I0 は入射光の強度や測定対象の反
射率に依存する定数である。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
Here, I 0 is a constant that depends on the intensity of the incident light and the reflectance of the object to be measured. 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, in order to facilitate the calculation, the phase difference φ 0 = 0 ° The amplitude ratio χ = 1

【0065】に設定している。また、σRは無偏光ビー
ムスプリッタ19の振幅反射率比であり、σTは振幅透
過率比である。さらに、φT =0である。そして、この
振幅反射率比σRおよび振幅透過率比σTは(23)式で示
される。 振幅反射率比σR=rs /rP 振幅透過率比σT=(1−rs 2 )/(1−rP 2 ) …(23)
Is set. ΣR is the amplitude reflectance ratio of the non-polarizing beam splitter 19, and σT is the amplitude transmittance ratio. Further, φ T = 0. Then, the amplitude reflectance ratio σR and the amplitude transmittance ratio σT are expressed by Expression (23). Amplitude reflectance ratio σR = r s / r P amplitude transmittance ratio σT = (1-r s 2 ) / (1-r P 2 ) …(twenty three)

【0066】但し、rP ,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19の屈折率と入射角によって定
まる。
Here, r P and r s are P-polarized light and S, respectively.
These are the Fresnel reflection coefficients for polarized light, which are determined by the refractive index and the incident angle of the non-polarizing beam splitter 19.

【0067】空気の屈折率をN0 、無偏光ビームスプリ
ッタ19の屈折率をn1 とし、無偏光ビームスプリッタ
10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(24)(25)式で与えられる。 rP =(n1 cosθ0 −N0 cosθ1 )/(n1 cosθ0 +N0 cosθ1 ) …(24) rs =(N0 cosθ0 −n1 cosθ1 )/(N0 cosθ0 +n1 cosθ1 ) …(25)
If the refractive index of air is N 0 , the refractive index of the non-polarizing beam splitter 19 is n 1, and the incident angle and the refracting angle to the non-polarizing beam splitter 10 are θ 0 and θ 1 , respectively, r P , r s is given by (24) (25). r P = (n 1 cos θ 0 −N 0 cos θ 1 ) / (n 1 cos θ 0 + N 0 cos θ 1 ) (24) r s = (N 0 cos θ 0 −n 1 cos θ 1 ) / (N 0 cos θ 0 + n 1 cosθ 1 )… (25)

【0068】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19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。また、無偏
光ビームスプリッタ19の屈折率n1 が実数ならば、φ
T =0であることに注意する必要がある。
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 19, and the true ellipsometric parameters ψ, Δ
Is calculated in advance from the amount of deviation from. If the refractive index n 1 of the non-polarizing beam splitter 19 is a real number, φ
Note that T = 0.

【0069】演算部としてのパーソナルコンピュータ1
2は図4の流れ図に従って、エリプソメータ本体10か
らA/Dコンバータ11を介して入力されデジタルの4
個の各光強度I1 〜I4 から試料面13における膜厚d
を算出する。
Personal computer 1 as arithmetic unit
Numeral 2 denotes a digital 4 which is input from the ellipsometer main body 10 via the A / D converter 11 in accordance with the flowchart of FIG.
From the respective light intensities I1 to I4, the film thickness d on the sample surface 13 is obtained.
Is calculated.

【0070】すなわち、流れ図が開始されると、4つの
各光強度I1 〜I4 を読取る。次に、4つの光強度を前
述した(1)(2)式に代入してエリプソパラメータψ,Δを
算出する。但し、(3) 式の行列式は予め展開しておく。
エリプソパラメータψ,Δが求まると、別途計算式を用
いて試料面13における膜厚dを算出する。
That is, when the flow chart is started, the four light intensities I1 to I4 are read. Next, the ellipsometric parameters ψ and Δ are calculated by substituting the four light intensities into the aforementioned equations (1) and (2). However, the determinant of equation (3) is expanded in advance.
When the ellipsometric parameters ψ and Δ are obtained, the film thickness d on the sample surface 13 is calculated using a separate calculation formula.

【0071】このように構成されたエリプソメータであ
れば、測定された4つの光強度I1〜I4 にたとえ大き
な誤差を含む光強度が混在しても、全部の光強度を用い
て統計的に誤差が最も小さいと見なせるエリプソパラメ
ータψ,Δが算出される。したがって、算出されたエリ
プソパラメータψ,Δの精度が向上する。
In the ellipsometer configured as described above, even if the measured four light intensities I1 to I4 include light intensities including a large error, the error is statistically calculated using all the light intensities. Ellipso parameters ψ and Δ which can be regarded as the smallest are calculated. Therefore, the accuracy of the calculated ellipsometric parameters ψ and Δ is improved.

【0072】このように、統計的手法を用いてエリプソ
パラメータを算出するので、エリプソパラメータψ,Δ
の計算に予め固定された3個の光強度I1 〜I3 を用い
ていた従来の3チャンネルのエリプソメータに比較し
て、その測定精度を常に一定レベル以上の高い値に維持
できる。すなわち、測定対象や測定条件に起因する測定
精度の変動が少なく、常に安定した高い測定精度を維持
できる。
As described above, since the ellipsometric parameters are calculated using the statistical method, the ellipsometric parameters ψ, Δ
As compared with a conventional three-channel ellipsometer which uses three light intensities I1 to I3 fixed in advance for the calculation of the above, the measurement accuracy can always be maintained at a higher value than a certain level. That is, the fluctuation of the measurement accuracy due to the measurement object and the measurement conditions is small, and the stable and high measurement accuracy can be always maintained.

【0073】また、図1に示す各光学部品は例えば基板
に固定されており、可動部分は存在しない。したがっ
て、一つの測定点に対する測定所要時間はA/Dコンバ
ータ11の変換時間とパーソナルコンピュータ12内の
演算処理時間のみと見なせるので、前述したように約1
00μsec となり、ほぼ実時間で測定可能である。した
がって、たとえ測定対象が高速で移動していたとしても
正しく膜厚dを測定できる。図5は本発明のエリプソメ
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。
Each optical component shown in FIG. 1 is fixed to a substrate, for example, and has no movable parts. Therefore, the measurement time required for one measurement point can be regarded as only the conversion time of the A / D converter 11 and the calculation processing time in the personal computer 12, so that about 1
00 μsec, which can be measured almost in real time. Therefore, even if the object to be measured is moving at high speed, the film thickness d can be measured correctly. FIG. 5 is a view showing a state in which the ellipsometer of the present invention is incorporated in an apparatus for measuring the distribution of oxide film thickness of a silicon wafer.

【0074】ベース31上に移動テーブル32が設けら
れ、この移動テーブル32上に回転支持台33が取付け
られている。そして、この回転支持台33上に測定対象
としてのシリコンウェーハー35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3
5は回転しながら矢印方向に直線移動する。ベース31
上にはシリコンウェーハー35全体の厚みを測定する既
存の厚み測定装置36が配設され、また、この厚み測定
装置36の対向位置にエリプソメータ本体37が支持部
材38にて固定されている。
A moving table 32 is provided on a base 31, and a rotating support 33 is mounted on the moving table 32. Then, a silicon wafer 35 to be measured is mounted on the rotary support 33 by, for example, a suction mechanism. Therefore, silicon wafer 3
5 moves linearly in the direction of the arrow while rotating. Base 31
An existing thickness measuring device 36 for measuring the thickness of the entire silicon wafer 35 is provided thereon, and an ellipsometer main body 37 is fixed by a support member 38 at a position facing the thickness measuring device 36.

【0075】そして、厚み測定装置36およびエリプソ
メータ本体37は移動テーブル32および回転支持台3
3にて螺旋状に移動しているシリコンウェーハー35の
各測定位置(R,θ)における全体の厚みと酸化膜の厚
みdを測定する。
The thickness measuring device 36 and the ellipsometer main body 37 are connected to the moving table 32 and the rotary support 3.
In step 3, the entire thickness and the thickness d of the oxide film at the measurement positions (R, θ) of the silicon wafer 35 spirally moving are measured.

【0076】図6はこのエリプソメータに組込まれたパ
ーソナルコンピュータ12が行う測定処理を示す流れ図
である。流れ図が開始されると、シリコンウェーハー3
5上の測定位置(R,θ)を初期化する。次に、該当測
定位置における各光強度I1〜I4 を読取る。読取った
4つの光強度を前述した(1)(2)式に代入してエリプソパ
ラメータψ,Δを算出する。
FIG. 6 is a flowchart showing a measurement process performed by the personal computer 12 incorporated in the ellipsometer. When the flowchart starts, the silicon wafer 3
5 is initialized. Next, each light intensity I1 to I4 at the corresponding measurement position is read. The four light intensities thus read are substituted into the above-mentioned equations (1) and (2) to calculate ellipsometric parameters ψ and Δ.

【0077】エリプソパラメータψ,Δ,が求まると、
別途計算式を用いてシリコンウェーハー35上の測定位
置(R,θ)における膜厚dおよび屈折率を算出する。
一つの測定位置における膜厚dおよび屈折率の測定が終
了すると測定位置(R,θ)を移動して再度測定を実行
する。そして、すべての測定位置における測定処理が終
了すると、1枚のシリコンウェーハー35の測定が終了
する。
When the ellipsometric parameters ψ and Δ are obtained,
The film thickness d and the refractive index at the measurement position (R, θ) on the silicon wafer 35 are calculated using a separate calculation formula.
When the measurement of the film thickness d and the refractive index at one measurement position is completed, the measurement position (R, θ) is moved and the measurement is performed again. When the measurement processing at all the measurement positions is completed, the measurement of one silicon wafer 35 is completed.

【0078】図7(a),図8は種々の膜厚dを有する
多数のシリコンウェーハー35に対して膜厚測定を実施
した場合において回転検光子により求めた位相差Δと算
出された位相差Δとの関係を示す図である。図7(a)
が実施例エリプソメータを用いた実験結果であり、図8
が従来のエリプソメータを用いた実験結果である。
FIGS. 7A and 8 show the phase difference Δ obtained by the rotating analyzer and the calculated phase difference when the film thickness is measured for a large number of silicon wafers 35 having various film thicknesses d. It is a figure showing relation with Δ. FIG. 7 (a)
8 shows the experimental results using the example ellipsometer, and FIG.
Shows the experimental results using a conventional ellipsometer.

【0079】図示するように、図8におれる従来エリプ
ソメータにおいては、3つの光強度I1 〜I3 のうちの
一つの光強度の値が極端に小さくなる位相差Δが0°お
よび180°近傍において、10°〜12°に達する誤
差が生じている。
As shown in the figure, in the conventional ellipsometer shown in FIG. 8, when the phase difference Δ at which one of the three light intensities I 1 to I 3 becomes extremely small is near 0 ° and 180 °. , An error reaching 10 ° to 12 ° occurs.

【0080】これに対して、図7(a)の実施例エリプ
ソメータにおいては、全部の光強度I1 〜I4 を用いて
統計的に誤差が小さいと見なせるエリプソパラメータが
算出されるので、たとえ位相差Δが0°および180°
近傍においても、絶対誤差を5°以下に低減できた。
On the other hand, in the ellipsometer of the embodiment shown in FIG. 7A, an ellipso parameter which can be regarded as having a statistically small error is calculated using all the light intensities I1 to I4. Is 0 ° and 180 °
Even in the vicinity, the absolute error could be reduced to 5 ° or less.

【0081】このように、エリプソメータが高速性を保
持した上で小型化され、かつ測定精度が上昇したので、
既存の厚み測定装置36に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 ellipsometer is downsized while maintaining high speed, and the measurement accuracy is increased.
It can be additionally installed on the existing thickness measuring device 36.
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.

【0082】図9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。
FIG. 9 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.

【0083】この実施例においては、無偏光ビームスプ
リッタ19の反射光20aを偏光ビームスプリッタ21
でもって前述した基準方向に対して+45°および−4
5°方向の各偏光成分に分離し、無偏光ビームスプリッ
タ19の透過光20bを偏光ビームスプリッタ22でも
って基準方向に対して90°および0°方向の偏光成分
に分離している。そして、この実施例においては、受光
器23c,23dの各光強度がI1 ,I2 となり、受光
器23a,23bの各光強度がI3 ,I4 となる。ま
た、(4) 式における定数σ1 ,σ2 はそれぞれ無偏光ビ
ームスプリッタ19のP偏光,S偏光の振幅透過率比で
あり、定数σ3 ,σ4 は振幅反射率比である。さらに、
φ1 ,φ2 ,φ3 ,φ4 は全て0である。
In this embodiment, the reflected light 20a of the non-polarizing beam splitter 19 is
+ 45 ° and -4 with respect to the reference direction described above.
The transmitted light 20b of the non-polarizing beam splitter 19 is separated by the polarizing beam splitter 22 into 90 ° and 0 ° directions of polarization with respect to the reference direction. In this embodiment, the light intensities of the light receivers 23c and 23d are I1 and I2, and the light intensities of the light receivers 23a and 23b are I3 and I4. The constants .sigma.1 and .sigma.2 in equation (4) are the amplitude transmittance ratios of the P-polarized light and the S-polarized light of the non-polarizing beam splitter 19, and the constants .sigma.3 and .sigma.4 are the amplitude reflectance ratios. further,
φ 1 , φ 2 , φ 3 , φ 4 are all 0.

【0084】このような構成であっても図1と同様に試
料面13からの反射光18を基準方向に対してそれぞれ
45°づつずれた各方向の4つ偏光成分の各光強度が得
られるので、前述した実施例とほぼ同様の効果を得るこ
とができる。
Even with such a configuration, as in FIG. 1, the respective light intensities of the four polarized light components in each direction obtained by shifting the reflected light 18 from the sample surface 13 by 45 ° with respect to the reference direction can be obtained. Therefore, substantially the same effects as those of the above-described embodiment can be obtained.

【0085】また、図10に示す実施例においては、図
1のエリプソメータにおける光源部16から試料面13
に対する入射光17の光路に1/4波長板40が挿入さ
れている。このように1/4波長板40を挿入すること
によって、試料面13に入射する入射光17を直線偏光
から円偏光に変換する事が可能である。したがって、図
1のエリプソメータに比較して膜厚dの測定範囲をずら
す事が可能である。
In the embodiment shown in FIG. 10, the light source unit 16 in the ellipsometer of FIG.
A quarter-wave plate 40 is inserted in the optical path of the incident light 17 with respect to. By inserting the quarter-wave plate 40 in this manner, it is possible to convert the incident light 17 entering the sample surface 13 from linearly polarized light to circularly polarized light. Therefore, the measurement range of the film thickness d can be shifted as compared with the ellipsometer of FIG.

【0086】図11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。
FIG. 11 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an ellipsometer according to still another embodiment of the present invention. FIG.
The same reference numerals are given to the same parts as those of the embodiment. Therefore, the detailed description of the overlapping part is omitted.

【0087】この実施例において、試料面13からの反
射光18を互いに異なる4つの偏光成分に分離する光学
系は、3個の無偏光ビームスプリッタ19,41,42
と4個の検光子43a,43b,43c,43dとで構
成されている。
In this embodiment, the optical system that separates the reflected light 18 from the sample surface 13 into four different polarized light components comprises three non-polarized beam splitters 19, 41, and 42.
And four analyzers 43a, 43b, 43c, 43d.

【0088】すなわち、試料面13からの反射光18は
無偏光ビームスプリッタ19にて反射光20aと透過光
20bに分岐される。反射光20aは別の無偏光ビーム
スプリッタ41によって反射光と透過光とに分岐され
る。反射光は検光子43aに入射され、透過光は検光子
43bに入射される。さらに、無偏光ビームスプリッタ
19の透過光20bは別の無偏光ビームスプリッタ42
によって反射光と透過光とに分岐される。反射光は検光
子43cに入射され、透過光は検光子43dに入射され
る。
That is, the reflected light 18 from the sample surface 13 is split by the non-polarizing beam splitter 19 into reflected light 20a and transmitted light 20b. The reflected light 20a is split into reflected light and transmitted light by another non-polarizing beam splitter 41. The reflected light is incident on the analyzer 43a, and the transmitted light is incident on the analyzer 43b. Further, the transmitted light 20b of the non-polarization beam splitter 19 is converted into another non-polarization beam splitter 42.
Is split into reflected light and transmitted light. The reflected light is incident on the analyzer 43c, and the transmitted light is incident on the analyzer 43d.

【0089】4個の検光子43a〜43dはそれぞれ入
射した光のうちの前述した基準方向に対して+90°,
0°,+45°,−45°の各方向の偏光成分を透過さ
せる。その結果、各検光子43a〜43dの後方に配設
された各受光器23a,23b,23c,23dから互
い偏光方向が異なる4つの偏光成分の各光強度I1 ,I
2 ,I3 ,I4 が出力される。したがって、前述した各
実施例とほぼ同様の効果を得ることかできる。
The four analyzers 43a to 43d are respectively + 90 ° with respect to the aforementioned reference direction of the incident light, and
The polarized light components in the directions of 0 °, + 45 °, and −45 ° are transmitted. As a result, the respective light intensities I1, I of the four polarization components having different polarization directions from the respective light receivers 23a, 23b, 23c, 23d disposed behind the analyzers 43a to 43d.
2, I3 and I4 are output. Therefore, it is possible to obtain substantially the same effects as those of the above-described embodiments.

【0090】図12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9
の実施例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。
FIG. 12 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an ellipsometer according to still another embodiment of the present invention. FIG.
The same reference numerals are given to the same parts as those of the embodiment. Therefore, the detailed description of the overlapping part is omitted.

【0091】この実施例において、試料面13からの反
射光18は互いに偏光方向が異なる5つの偏光成分に分
離される。すなわち、試料面13の反射光18は2個の
無偏光ビームスプリッタ19,19aでもって3つの光
20a,20c,20dに分岐される。無偏光ビームス
プリッタ19の反射光20aは検光子43eへ入射され
る。検光子43eは入射した光20aのうち基準方向に
対して90°方向の偏光成分を透過させて受光器23e
へ入射させる。
In this embodiment, the reflected light 18 from the sample surface 13 is separated into five polarization components having different polarization directions. That is, the reflected light 18 on the sample surface 13 is split into three lights 20a, 20c, and 20d by the two non-polarizing beam splitters 19 and 19a. The reflected light 20a of the non-polarizing beam splitter 19 is incident on the analyzer 43e. The analyzer 43e transmits the polarized light component of the incident light 20a in the direction of 90 ° with respect to the reference direction and transmits the polarized light component to the light receiver 23e.
To be incident.

【0092】無偏光ビームスプリッタ19aの反射光2
0cは偏光ビームスプリッタ45へ入射する。偏光ビー
ムスプリッタ45は入射した光20cのうちの基準方向
に対して30°および120°方向の各偏光成分を抽出
してそれぞれ受光器23a,23bへ入射させる。ま
た、無偏光ビームスプリッタ19aの透過光20dは偏
光ビームスプリッタ46へ入射する。偏光ビームスプリ
ッタ46は入射した光20dのうちの基準方向に対して
60°および150°方向の各偏光成分を抽出してそれ
ぞれ受光器23c,23dへ入射させる。
The reflected light 2 of the non-polarized beam splitter 19a
0c enters the polarization beam splitter 45. The polarization beam splitter 45 extracts the polarization components of the incident light 20c in the directions of 30 ° and 120 ° with respect to the reference direction, and makes the light components enter the light receivers 23a and 23b, respectively. The transmitted light 20d of the non-polarization beam splitter 19a enters the polarization beam splitter 46. The polarization beam splitter 46 extracts each polarization component of the incident light 20d in the directions of 60 ° and 150 ° with respect to the reference direction, and makes the light components 23c and 23d respectively.

【0093】その結果、各受光器23a,23b,23
c,23d,23eから互い偏光方向が異なる5つの偏
光成分の各光強度I1 ,I2 ,I3 ,I4 ,I5 が出力
される。この場合、各光強度I1 ,I2 ,I3 ,I4 ,
I5 は(14)式と同様に以下の(26)式で与えられる。 I1 =G1 |Kb1・Ep |2 [(σ1R・χ)2 sin2 90] I2 =G2 |Kb2・Ep |2 ×[ tan2 ψ・ cos2 30+(σ1T・σ2R・χ)2 sin2 30 +2σ1T・σ2R・χ・ tanψ・ cosΔ・ cos30・ cos30] I3 =G3 |Kb3・Ep |2 ×[ tan2 ψ・ cos2 120 +(σ1T・σ2R・χ)2 sin2 120 +2σ1T・σ2R・χ・ tanψ・ cosΔ・ cos120 ・ cos120 ] I4 =G4 |Kb4・Ep |2 ×[ tan2 ψ・ cos2 60+(σ1T・σ2T・χ)2 sin2 60 +2σ1T・σ2T・χ・ tanψ・ cosΔ・ cos60・ cos60] I5 =G5 |Kb5・Ep |2 ×[ tan2 ψ・ cos2 150 +(σ1T・σ2T・χ)2 sin2 150 +2σ1T・σ2T・χ・ tanψ・ cosΔ・ cos150 ・ cos150 ] …(26)
As a result, each of the light receivers 23a, 23b, 23
Light intensities I1, I2, I3, I4 and I5 of five polarization components having different polarization directions are output from c, 23d and 23e. In this case, the light intensities I1, I2, I3, I4,
I5 is given by the following equation (26), similarly to equation (14). I1 = G1 | Kb1 · Ep | 2 [(Σ1R ・ χ) 2 sin 2 90] I2 = G2 | Kb2 · Ep | 2 × [tan 2 ψ ・ cos 2 30+ (σ1T ・ σ2R ・ χ) 2 sin 2 30 + 2σ1T ・ σ2R ・ χ ・ tan ・ cosΔ ・ cos30 ・ cos30] I3 = G3 | Kb3 ・ Ep | 2 × [tan 2 ψ ・ cos 2 120 + (σ1T ・ σ2R ・ χ) 2 sin 2 120 + 2σ1T ・ σ2R ・ χ ・ tanψ ・ cosΔ ・ cos120 ・ cos120] I4 = G4 | Kb4 ・ Ep | 2 × [tan 2 ψ ・ cos 2 60+ (σ1T ・ σ2T ・ χ) 2 sin 2 60 + 2σ1T ・ σ2T ・ χ ・ tanψ ・ cosΔ ・ cos60 ・ cos60] I5 = G5 | Kb5 ・ Ep | 2 × [tan 2 ψ ・ cos 2 150 + (σ1T ・ σ2T ・ χ) 2 sin 2 150 + 2σ1T ・ σ2T ・ χ ・ tanψ ・ cosΔ ・ cos150 ・ cos150]… (26)

【0094】ここで、σ1R,σ1Rは、それぞれビームス
プリッタ19の振幅反射率比,振幅透過率比である。ま
た、σ2R,σ2Tはそれぞれビームスプリッタ19aの振
幅反射率比,振幅透過率比である。これを例えば、円偏
光を直接入射させたときの出力I1x,I2x,I3x,I4
x,I5xは(27)式となる。 I1x=G1 |Kb1|2 [(σ1R)2 sin2 90] I2x=G2 |Kb2|2 [ cos2 30+(σ1T・σ2R)2 sin2 30] I3x=G3 |Kb3|2 [ cos2 120 +(σ1T・σ2R)2 sin2 120 ] I4x=G4 |Kb4|2 [ cos2 60+(σ1T・σ2T)2 sin2 60] I5x=G5 |Kb5|2 [ cos2 150 +(σ1T・σ2T)2 sin2 150 ] …(27) よって、各光強度I1x,I2x,I3x,I4x,I5xがそれ
ぞれある一定値I0bに対して、 I1x=I0b・L1 I2x=I0b・L2 I3x=I0b・L3 I4x=I0b・L4 I5x=I0b・L5 …(28) となるようにG1 ,G2 ,G3 ,G4 ,G5 を決める。
但し、 L1 =(σ1R)2 sin2 90 L2 = cos2 30+(σ1T・σ2R)2 sin2 30 L3 = cos2 120 +(σ1T・σ2R)2 sin2 120 L4 = cos2 60+(σ1T・σ2T)2 sin2 60 L5 = cos2 150 +(σ1T・σ2T)2 sin2 150 …(29) である。このように、G1 ,G2 ,G3 ,G4 ,G5 を
決めれば、各光強度I1,I2 ,I3 ,I4 ,I5 はそ
れぞれ(30)式となる。 I1 =I0 [(σ1R・χ)2 sin2 90] I2 =I0 [ tan2 ψ・ cos2 30+(σ1T・σ2R・χ)2 sin2 30 +2σ1T・σ2R・χ・ tanψ・ cosΔ・ cos30・ cos30] I3 =I0 [ tan2 ψ・ cos2 120 +(σ1T・σ2R・χ)2 sin2 120 +2σ1T・σ2R・χ・ tanψ・ cosΔ・ cos120 ・ cos120 ] I4 =I0 [ tan2 ψ・ cos2 60+(σ1T・σ2T・χ)2 sin2 60 +2σ1T・σ2T・χ・ tanψ・ cosΔ・ cos60・ cos60] I5 =I0 [ tan2 ψ・ cos2 150 +(σ1T・σ2T・χ) sin
50 +2σ1T・σ2T・χ・ tanψ・ cosΔ・ cos150 ・ cos150 ] …(30)
Here, σ1R and σ1R are beam beams, respectively.
These are the amplitude reflectance ratio and the amplitude transmittance ratio of the splitter 19. Ma
Σ2R and σ2T are the vibrations of the beam splitter 19a, respectively.
These are the width reflectance ratio and the amplitude transmittance ratio. For example, this is
Outputs I1x, I2x, I3x, I4 when light is directly incident
x and I5x are expressed by equation (27). I1x = G1 | Kb1 |Two [(Σ1R)Two  sinTwo 90] I2x = G2 | Kb2 |Two [CosTwo 30+ (σ1T ・ σ2R)Two  sinTwo 30] I3x = G3 | Kb3 |Two [CosTwo 120 + (σ1T ・ σ2R)Two  sinTwo 120] I4x = G4 | Kb4 |Two [CosTwo 60+ (σ1T ・ σ2T)Two  sinTwo 60] I5x = G5 | Kb5 |Two [CosTwo 150 + (σ1T ・ σ2T)Two  sinTwo 150] (27) Therefore, each light intensity I1x, I2x, I3x, I4x, I5x is
Each constant value I0bWhere I1x = I0b・ L1 I2x = I0b・ L2 I3x = I0b・ L3 I4x = I0b・ L4 I5x = I0bG5, G2, G3, G4, G5 are determined so that L5 ... (28).
Where L1 = (σ1R)Two  sinTwo 90 L2 = cosTwo 30+ (σ1T ・ σ2R)Two  sinTwo 30 L3 = cosTwo 120 + (σ1T ・ σ2R)Two  sinTwo 120 L4 = cosTwo 60+ (σ1T ・ σ2T)Two  sinTwo 60 L5 = cosTwo 150 + (σ1T ・ σ2T)Two  sinTwo 150… (29). Thus, G1, G2, G3, G4, G5 are
If determined, each light intensity I1, I2, I3, I4, I5 is
Equation (30) respectively. I1 = I0[(Σ1R ・ χ)Two  sinTwo 90] I2 = I0[TanTwo ψ ・ cosTwo 30+ (σ1T ・ σ2R ・ χ)Two  sinTwo 30 + 2σ1T ・ σ2R ・ χ ・ tanψ ・ cosΔ ・ cos30 ・ cos30] I3 = I0[TanTwo ψ ・ cosTwo 120 + (σ1T ・ σ2R ・ χ)Two  sinTwo 120 + 2σ1T ・ σ2R ・ χ ・ tanψ ・ cosΔ ・ cos120 ・ cos120] I4 = I0[TanTwo ψ ・ cosTwo 60+ (σ1T ・ σ2T ・ χ)Two  sinTwo 60 + 2σ1T ・ σ2T ・ χ ・ tanψ ・ cosΔ ・ cos60 ・ cos60] I5 = I0[TanTwo ψ ・ cosTwo 150 + (σ1T ・ σ2T ・ χ)2  sin2 1
50 + 2σ1T ・ σ2T ・ χ ・ tanψ ・ cosΔ ・ cos150 ・ cos150]… (30)

【0095】ここで、注意すべきことは、直接入射する
光は円偏光である必要はない。例えば、S偏光のように
既知の偏光であってもよい。但し、P偏光などを用いる
と、I1 の出力は0となり、I1 のゲインを決めること
ができないので、P偏光のようにある受光器の出力が0
となるような偏光はゲインの調節に用いることはできな
い。
Here, it should be noted that the directly incident light does not need to be circularly polarized. For example, it may be a known polarization such as S-polarization. However, if P-polarized light or the like is used, the output of I1 becomes 0, and the gain of I1 cannot be determined.
Cannot be used to adjust the gain.

【0096】また、ゲインの決定は、電子回路で実現す
ることも、データを取込んだ後にコンピュータで処理す
ることも、いずれの手法であってもよい。ここでは、円
偏光を直接入射して、受光器に付属する増幅器の可変抵
抗を変化させることにより、各受光器の出力を一定にし
ている。そして、実際に計測するときには、各光強度を
コンピュータに取込んだ後において計算するときに、入
力したI1 ,I2 ,I3 ,I4 ,I5 にそれぞれL1 ,
L2 ,L3 ,L4 ,L5 を乗じたものを改めて各光強度
I1 ,I2 ,I3 ,I4 ,I5 と設定している。したが
って、この5つの光強度I1 〜I5 から(1)(2)式を用い
て統計的に最も誤差が少ないと推定されるエリプソパラ
メータΔ,ψが算出できる。この場合、重み関数wi
Ii (i=1,2,…,5) としている。
The gain may be determined by an electronic circuit, or may be processed by a computer after fetching data. Here, the output of each light receiver is made constant by directly entering the circularly polarized light and changing the variable resistance of the amplifier attached to the light receiver. Then, when actually measuring, when inputting each light intensity into the computer and calculating, the input I1, I2, I3, I4 and I5 are respectively L1 and I5.
Each of the light intensities I1, I2, I3, I4, and I5 is newly set by multiplying L2, L3, L4, and L5. Therefore, the ellipso parameters Δ and さ れ る, which are estimated to have the smallest error statistically, can be calculated from the five light intensities I1 to I5 by using the equations (1) and (2). In this case, the weight function w i =
Ii (i = 1, 2,..., 5).

【0097】図7(b)は、この5チャンネルの実施例
エリプソメータを用いて種々の膜厚dを有する多数のシ
リコンウェーハーに対して膜厚測定を実施した場合にお
いて回転検光子により求めた位相差Δと実施例エリプソ
メータにて算出された位相差Δとの関係を示す図であ
る。図7(a)に示す4チャンネルの実施例エリプソメ
ータの場合と同様に非常に良好な結果が得られることが
理解できる。
FIG. 7B shows a phase difference obtained by a rotary analyzer when a film thickness is measured on a large number of silicon wafers having various film thicknesses d using the ellipsometer of the five-channel embodiment. FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between Δ and a phase difference Δ calculated by an ellipsometer of the example. It can be understood that very good results can be obtained as in the case of the ellipsometer of the four channels shown in FIG. 7A.

【0098】図13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
2の実施例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。
FIG. 13 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an ellipsometer according to still another embodiment of the present invention. FIG.
The same parts as those of the second embodiment are denoted by the same reference numerals. Therefore, the detailed description of the overlapping part is omitted.

【0099】この実施例において、試料面13からの反
射光18は互いに偏光方向が異なる6つの偏光成分に分
離される。すなわち、試料面13の反射光18は2個の
無偏光ビームスプリッタ19,19aでもって3つの光
20a,20c,20dに分岐される。そして、各光2
0a,20c,20dはそれぞれ偏光ビームスプリッタ
44,47,48へ入射されて、それぞれ異なる方向の
偏光成分に分離される。
In this embodiment, the reflected light 18 from the sample surface 13 is separated into six polarization components having different polarization directions. That is, the reflected light 18 on the sample surface 13 is split into three lights 20a, 20c, and 20d by the two non-polarizing beam splitters 19 and 19a. And each light 2
The light beams 0a, 20c, and 20d enter the polarization beam splitters 44, 47, and 48, and are separated into polarization components in different directions.

【0100】偏光ビームスプリッタ44は入射した光2
0aのうちの基準方向に対して0°および90°方向の
各偏光成分を抽出してそれぞれ受光器23e,23fへ
入射させる。また、偏光ビームスプリッタ47は入射し
た光20cのうちの基準方向に対して30°および12
0°方向の各偏光成分を抽出してそれぞれ受光器23
a,23bへ入射させる。さらに、偏光ビームスプリッ
タ48は入射した光20dのうちの基準方向に対して6
0°および150°方向の各偏光成分を抽出してそれぞ
れ受光器23c,23dへ入射させる。
The polarization beam splitter 44 receives the incident light 2
The polarization components in the directions of 0 ° and 90 ° with respect to the reference direction of 0a are extracted and made to enter the photodetectors 23e and 23f, respectively. Further, the polarization beam splitter 47 has an angle of 30 ° with respect to the reference direction of the incident light 20c.
Each polarization component in the 0 ° direction is extracted, and the
a, 23b. Further, the polarizing beam splitter 48 is positioned at 6 degrees with respect to the reference direction of the incident light 20d.
The polarization components in the 0 ° and 150 ° directions are extracted and made incident on the photodetectors 23c and 23d, respectively.

【0101】その結果、各受光器23a,23b,23
c,23d,23e,23fから互い偏光方向が異なる
6つの偏光成分の各光強度I1 ,I2 ,I3 ,I4 ,I
5 ,I6 が出力される。したがって、この6つ全部の光
強度I1 〜I6 から(1)(2)式を用いて統計的に最も誤差
が少ないと推定されるエリプソパラメータΔ,ψが算出
できる。この場合、ゲイン調整も円偏光を用いて行うこ
とができる。よって、前述した各実施例とほぼ同様の効
果を得ることができる。
As a result, each of the light receivers 23a, 23b, 23
The light intensities I1, I2, I3, I4, I of six polarization components having different polarization directions from c, 23d, 23e, 23f.
5 and I6 are output. Therefore, the ellipsometric parameters Δ and さ れ る, which are estimated to have the least error statistically, can be calculated from all six light intensities I1 to I6 by using equations (1) and (2). In this case, gain adjustment can also be performed using circularly polarized light. Therefore, substantially the same effects as those of the above-described embodiments can be obtained.

【0102】また、各光強度I1 〜I6 のうち、誤差を
含んでいると見なせるある決められた値以下の光強度を
用いないことによって、統計的に誤差が少ないと推定で
きるエリプソパラメータΔ,ψを算出できる。この場
合、計算に用いない光強度Iiに対応する重み関数wi
を0に設定すればよい。このようにすることによって、
前述したI1 〜I6 の全部の光強度を用いてエリプソパ
ラメータΔ,ψを算出する場合より若干精度が向上す
る。
Also, by not using light intensities less than a predetermined value that can be regarded as including an error among the light intensities I1 to I6, the ellipsometric parameters Δ, で き る, which can be estimated to have a statistically small error, are used. Can be calculated. In this case, the weight function w i corresponding to the light intensity I i not used for the calculation
May be set to 0. By doing this,
The accuracy is slightly improved compared to the case where the ellipsometric parameters Δ and ψ are calculated by using all the light intensities I1 to I6 described above.

【0103】このように、本発明においては、試料面1
3からの反射光18を4個以上の複数の偏光成分に分離
する光学系を種々の部品を組合わせることによって実現
することが可能である。
As described above, in the present invention, the sample surface 1
An optical system that separates the reflected light 18 from 3 into four or more polarization components can be realized by combining various components.

【0104】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。実施例においては、検出された4個
以上の複数の光強度から最も精度の高いエリプソパラメ
ータΔ,ψを算出する統計的手法として、最小2乗法を
用いたが、特に最小2乗法に限定されるものではなく、
誤差を低減させる他の統計的手法を用いることも可能で
ある。
The present invention is not limited to the above embodiments. In the embodiment, the least-squares method is used as a statistical method for calculating the most accurate ellipso parameters Δ and か ら from four or more detected light intensities, but the method is particularly limited to the least-squares method. Not a thing,
Other statistical techniques for reducing errors can also be used.

【0105】また、本発明で用いたゲイン調整方法は、
一般に多タャンネルエリプソメータに適用できるもので
ある。実施例においては、4チャンネル,5チャンネル
の場合について具体的に述べ、6チャンネルの場合にも
適用可能であることを述べたが、当然ながら従来の3チ
ャンネルエリプソメータにも適用できる。例えば、既に
図16に示したエリプソメータにおいては、各チャンネ
ルの光強度I1 ,I2 ,I3 は(31)式で表すことが可能
である。 I1 =G1 |Kc1・Ep |2 [ tan2 ψ] I2 =G2 |Kc2・Ep |2 ×[ tan2 ψ・ cos2 45+(σT・σR・χ)2 sin2 45 +2σT・σR・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 )・ cos45・cos45 ] I3 =G3 |Kc3・Ep |2 ×[ tan2 ψ・ cos2 (-45) +(σT・σR・χ)2 sin2 (-45) +2σT・σR・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 )・cos(-45)・cos(-45)] …(31)
Further, the gain adjustment method used in the present invention is as follows.
Generally, it can be applied to a multi-channel ellipsometer. In the embodiment, the case of four channels and five channels has been specifically described, and it has been described that the present invention is applicable to the case of six channels. However, it is needless to say that the present invention can be applied to a conventional three-channel ellipsometer. For example, in the ellipsometer already shown in FIG. 16, the light intensities I1, I2, I3 of the respective channels can be expressed by equation (31). I1 = G1 | Kc1 · Ep | 2 [Tan 2 ψ] I2 = G2 | Kc2 · Ep | 2 × [tan 2 ψ ・ cos 2 45+ (σT ・ σR ・ χ) 2 sin 2 45 + 2σT · σR · χ · tanψ · cos (Δ-φ 0) · cos45 · cos45] I3 = G3 | Kc3 · Ep | 2 × [tan 2 ψ ・ cos 2 (-45) + (σT ・ σR ・ χ) 2 sin 2 (-45) + 2σT · σR · χ · tanψ · cos (Δ-φ 0) · cos (-45) · cos (-45)] ... (31)

【0106】但し、σR,σTは無偏光ビームスプリッ
タの振幅反射率比,振幅透過率比である。ここで、例え
ばP偏光を直接入射したときの受光器出力I1x,I2x,
I3xは、 I1x=G1 |Kc1|2 I2x=G2 |Kc2|2 /2 I3x=G3 |Kc3|2 /2 …(32) と表せるから、各出力I1x,I2x,I3xはある一定値I
0cに対して、 I1x=I0c I2x=I0c/2 I3x=I0c/2 …(33) となるようにゲインG1 .G2 ,G3 を決めれば、 I1 =I0 tan2 ψ I2 =I0 [ tan2 ψ・ cos2 45+(σT・σR・χ)2 sin2 45 +2σT・σR・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 )・ cos45・cos45 ] I3 =I0 [ tan2 ψ・ cos2 (-45) +(σT・σR・χ)2 sin2 (-45) +2σT・σR・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 )・cos(-45)・cos(-45)] …(34) と表せる。よって、この(34)式を解くことによって、前
述した(13a)(13b)式が得られる。
Here, σR and σT are the amplitude reflectance ratio and the amplitude transmittance ratio of the non-polarizing beam splitter. Here, for example, when the P-polarized light is directly incident, the outputs I1x, I2x,
I3x is, I1x = G1 | Kc1 | 2 I2x = G2 | Kc2 | 2 / 2 I3x = G3 | Kc3 | 2 /2...(32), each output I1x, I2x, I3x is a certain value I
Against 0c, I1x = I 0c I2x = I 0c / 2 I3x = I 0c / 2 ... and so as to gain G1 (33). Be determined to G2, G3, I1 = I 0 tan 2 I I2 = I 0 [tan 2 ψ ・ cos 2 45+ (σT ・ σR ・ χ) 2 sin 2 45 + 2σT · σR · χ · tanψ · cos (Δ-φ 0) · cos45 · cos45] I3 = I 0 [tan 2 ψ ・ cos 2 (-45) + (σT ・ σR ・ χ) 2 sin 2 (−45) + 2σT · σR · χ · tanψ · cos (Δ−φ 0 ) · cos (-45) · cos (-45)] (34) Therefore, by solving the equation (34), the above-described equations (13a) and (13b) are obtained.

【0107】また、3チャンネルエリプソメータには、
図16に示した無偏光ビームスプリッタのみを用いたも
のの他に、図14に示すように、偏光ビームスプリッタ
を用いたエリプソメータも考えられる。すなわち、光源
部16から出力されるレーザ光は1/4波長板49を介
して資料面13へ入射する。資料面13からの反射光1
8は無偏光ビームスプリッタ19で2方向の光に分岐さ
れる。分岐された一方の光は0°方向の偏光成分のみを
通過させる検光子50を介して受光器23aに入射され
る。分岐された他方の光は、さらに、偏光ビームスプリ
ッタ22で+45°および−45°方向の偏光成分に分
離されてそれぞれ受光器23b,23cへ入射される。
各受光器23a,23b,23cにて得られる各光強度
I1 ,I2 ,I3 は(35)式で表すことが可能である。 I1 =G1 |Kd1・Ep |2 [ tan2 ψ] I2 =G2 |Kd2・Ep |2 ×[ tan2 ψ・ cos2 45+(σT・χ)2 sin2 45 +2σT・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 )・ cos45・cos45 ] I3 =G3 |Kd3・Ep |2 ×[ tan2 ψ・ cos2 (-45) +(σT・χ)2 sin2 (-45) +2σT・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 )・cos(-45)・cos(-45)] …(35) ここで、例えばP偏光を直接入射したときの受光器出力
I1x,I2x,I3xは、 I1x=G1 |Kd1|2 I2x=G2 |Kd2|2 /2 I3x=G3 |Kd3|2 /2 …(36) と表せるから、各出力I1x,I2x,I3xはある一定値I
0dに対して、 I1x=I0d I2x=I0d/2 I3x=I0d/2 …(37) となるようにゲインG1 .G2 ,G3 を決めれば、前述
した場合と同様に、 I1 =I0 tan2 ψ I2 =I0 [ tan2 ψ・ cos2 45+(σT・χ)2 sin2 45 +2σT・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 )・ cos45・cos45 ] I3 =I0 [ tan2 ψ・ cos2 (-45) +(σT・χ)2 sin2 (-45) +2σT・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 )・cos(-45)・cos(-45)] …(38) と表せる。よって、この(38)式を解くことによって、(3
9)式が得られる。 cos(Δ−φ0 )=[(I2 −I3 )/2I1 ] ×[I1 /(I2 +I3 −I1 )]1/2 tanψ=|σT・χ|[I1 /(I2 +I3 −I1 )]1/2 …(39) また、ゲイン調整に用いる光線として円偏光を用いた場
合の受光器出力I1x,I2x,I3xは、 I1x=G1 |Kd1|2 I2x=G2 |Kd2|2 (1+σT2 )/2 I3x=G3 |Kd3|2 (1+σT2 )/2 …(40) と表せるから、各出力I1x,I2x,I3xはある一定値I
0dに対して、 I1x=I0d I2x=I0d(1+σT2 )/2 I3x=I0d(1+σT2 )/2 …(41) となるようにゲインG1 .G2 ,G3 を決めれば、前述
した(39)式が得られる。
The three-channel ellipsometer includes:
In addition to the one using only the non-polarizing beam splitter shown in FIG. 16, an ellipsometer using a polarizing beam splitter as shown in FIG. 14 is also conceivable. That is, the laser light output from the light source unit 16 enters the data surface 13 via the quarter-wave plate 49. Light 1 reflected from document surface 13
8 is split by a non-polarizing beam splitter 19 into light in two directions. One of the split lights enters the light receiver 23a via the analyzer 50 that allows only the polarization component in the 0 ° direction to pass. The other split light is further separated by the polarization beam splitter 22 into polarization components in + 45 ° and −45 ° directions, and is incident on the light receivers 23b and 23c, respectively.
Each light intensity I1, I2, I3 obtained by each of the light receivers 23a, 23b, 23c can be expressed by the following equation (35). I1 = G1 | Kd1 · Ep | 2 [Tan 2 ψ] I2 = G2 | Kd2 · Ep | 2 × [tan 2 ψ ・ cos 2 45+ (σTχ) 2 sin 2 45 + 2σT · χ · tanψ · cos (Δ-φ 0) · cos45 · cos45] I3 = G3 | Kd3 · Ep | 2 × [tan 2 ψ ・ cos 2 (-45) + (σT ・ χ) 2 sin 2 (−45) + 2σT · χ · tanψ · cos (Δ−φ 0 ) · cos (−45) · cos (−45)] (35) Here, for example, the receiver output I1x when P-polarized light is directly incident. , I2x, I3x are given by: I1x = G1 | Kd1 | 2 I2x = G2 | Kd2 | 2 / 2 I3x = G3 | Kd3 | 2 /2...(36) Since each output I1x, I2x, I3x is a certain value I
Against 0d, I1x = I 0d I2x = I 0d / 2 I3x = I 0d / 2 ... (37) and so as to gain G1. It is determined to G2, G3, as in the case described above, I1 = I 0 tan 2 I I2 = I 0 [tan 2 ψ ・ cos 2 45+ (σTχ) 2 sin 2 45 + 2σT · χ · tanψ · cos (Δ-φ 0) · cos45 · cos45] I3 = I 0 [tan 2 ψ ・ cos 2 (-45) + (σT ・ χ) 2 sin 2 (−45) + 2σT · χ · tanψ · cos (Δ−φ 0 ) · cos (−45) · cos (−45)] (38) Therefore, by solving this equation (38), (3
Equation 9) is obtained. cos (Δ−φ 0 ) = [(I 2 −I 3) / 2I 1] × [I 1 / (I 2 + I 3 −I 1)] 1/2 tanψ = | σT · χ | [I1 / (I2 + I3-I1)] 1/2 (39) In addition, when circularly polarized light is used as a light beam used for gain adjustment, the receiver outputs I1x, I2x, and I3x are I1x = G1 | Kd1 | 2 I2x = G2 | Kd2 | 2 (1 + σT 2 ) / 2 I3x = G3 | Kd3 | 2 (1 + σT 2 ) / 2 (40), the outputs I1x, I2x, and I3x have a constant value I
Against 0d, I1x = I 0d I2x = I 0d (1 + σT 2 ) / 2 I3x = I 0d ( 1 + σT 2 ) / 2 (41) so that the gains G1. If G2 and G3 are determined, the aforementioned equation (39) is obtained.

【0108】さらに、3チャンネルエリプソメータに
は、図16,図14に示した構造の他に、図15に示す
ように、複合偏光ビームスプリッタ51を用いたエリプ
ソメータも考えられる。複合偏光ビーススプリッタ51
は、図示するように、無偏光ガラス51aと偏光ビーム
スプリッタ51bが一体的に構成されたものである。
Further, as the three-channel ellipsometer, in addition to the structure shown in FIGS. 16 and 14, an ellipsometer using a composite polarization beam splitter 51 as shown in FIG. 15 is also conceivable. Composite polarized beam splitter 51
As shown in the figure, a non-polarizing glass 51a and a polarizing beam splitter 51b are integrally formed.

【0109】すなわち、光源部16から出力されるレー
ザ光は資料面13へ入射する。資料面13からの反射光
18は複合偏光ビームスプリッタ50を構成する無偏光
ガラス51aにブリースター角度θでもって入射する。
ブリースター角度θでもって入射した光は、入射面で反
射される反射光と内部へ入る透過光とに分離される。反
射光は入射面(反射面)に平行する方向に偏光する偏光
成分のみとなる。したがって、その反射光は基準方向
(0°方向)の偏光成分のみとなり、受光器23aへ入
射される。
That is, the laser light output from the light source unit 16 enters the document surface 13. The reflected light 18 from the data surface 13 is incident on the non-polarizing glass 51a constituting the composite polarizing beam splitter 50 at a Brewster angle θ.
The light incident at the Bleester angle θ is separated into reflected light reflected on the incident surface and transmitted light entering the inside. The reflected light is only a polarization component polarized in a direction parallel to the incident surface (reflection surface). Therefore, the reflected light becomes only the polarization component in the reference direction (0 ° direction) and is incident on the light receiver 23a.

【0110】一方、無偏光ガラス51a内へ入った透過
光は、次の偏光ビームスプリッタ51bによって前記基
準方向に対して+45°および−45°方向の2つの偏
光成分に分離されて、それぞれ受光器23b,23cへ
入射される。各受光器23a,23b,23cにて得ら
れる各光強度I1 ,I2 ,I3 は(42)式で表すことが可
能である。 I1 =G1 |Ke1・Ep |2 (σR・χ)2 I2 =G2 |Ke2・Ep |2 ×[ tan2 ψ・ cos2 45+(σT・χ)2 sin2 45 +2σT・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 )・ cos45・cos45 ] I3 =G3 |Ke3・Ep |2 ×[ tan2 ψ・ cos2 (-45) +(σT・χ)2 sin2 (-45) +2σT・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 )・cos(-45)・cos(-45)] …(42) ここで、ゲイン調整に用いる光線として円偏光を用いた
場合の受光器出力I1x,I2x,I3xは、 I1x=G1 |Ke1|2 ・σR2 I2x=G2 |Ke2|2 (1+σT2 )/2 I3x=G3 |Ke3|2 (1+σT2 )/2 …(43) と表せるから、各出力I1x,I2x,I3xはある一定値I
0eに対して、 I1x=I0e・σR2 I2x=I0e(1+σT2 )/2 I3x=I0e(1+σT2 )/2 …(44) となるようにゲインG1 .G2 ,G3 を決めれば、前述
と同様に(42)式は(45)式のように表すことができる。 I1 =I0 (σR・χ)2 I2 =I0 [ tan2 ψ・ cos2 45+(σT・χ)2 sin2 45 +2σT・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 )・ cos45・cos45 ] I3 =I0 [ tan2 ψ・ cos2 (-45) +(σT・χ)2 sin2 (-45) +2σT・χ・ tanψ・ cos(Δ−φ0 )・cos(-45)・cos(-45)] …(45) よって、この(45)式を解くことによって(46)式が得られ
る。 cos(Δ−φ0 )=[σR2 (I2 −I3 )/(2σT・I1 )]
On the other hand, the transmission into the non-polarizing glass 51a
The light is transmitted to the substrate by the polarization beam splitter 51b.
Two deviations of + 45 ° and -45 ° with respect to the sub-direction
The light components are separated into light components 23b and 23c, respectively.
Incident. Obtained with each of the photodetectors 23a, 23b, 23c
Each of the light intensities I1, I2, and I3 can be expressed by equation (42).
Noh. I1 = G1 | Ke1 · Ep |Two (ΣRχ)Two  I2 = G2 | Ke2 · Ep |Two  × [tanTwo ψ ・ cosTwo 45+ (σT ・ χ)Two  sinTwo 45 + 2σT ・ χ ・ tanψ ・ cos (Δ−φ0) ・ Cos45 ・ cos45] I3 = G3 │Ke3 ・ Ep │Two  × [tanTwo ψ ・ cosTwo (-45) + (σT ・ χ)Two  sinTwo (-45) + 2σT ・ χ ・ tanψ ・ cos (Δ−φ0) · Cos (−45) · cos (−45)] (42) Here, circularly polarized light was used as a light beam used for gain adjustment.
In the case, the outputs I1x, I2x and I3x of the light receiver are I1x = G1 | Ke1 |Two ・ ΣRTwo  I2x = G2 | Ke2 |Two (1 + σTTwo ) / 2 I3x = G3 | Ke3 |Two (1 + σTTwo ) / 2 (43), the outputs I1x, I2x, and I3x have a constant value I
0eWhere I1x = I0e・ ΣRTwo  I2x = I0e(1 + σTTwo ) / 2 I3x = I0e(1 + σTTwo ) / 2 (44) so that the gains G1. If G2 and G3 are determined,
Equation (42) can be expressed as in equation (45). I1 = I0(ΣRχ)Two  I2 = I0[TanTwo ψ ・ cosTwo 45+ (σT ・ χ)Two  sinTwo 45 + 2σT ・ χ ・ tanψ ・ cos (Δ−φ0) ・ Cos45 ・ cos45] I3 = I0[TanTwo ψ ・ cosTwo (-45) + (σT ・ χ)Two  sinTwo (-45) + 2σT ・ χ ・ tanψ ・ cos (Δ−φ0) · Cos (-45) · cos (-45)]… (45) Therefore, by solving this equation (45), equation (46) is obtained.
You. cos (Δ-φ0) = [ΣRTwo (I2 -I3) / (2.sigma.T.I1)]

【0111】 ×[I1 /{σR2 (I2 +I3 )−σT2 ・I1 }]1/2 tanψ=|χ|[{σR 2 (I2 +I3 )−σT2 ・I1 }/I1 ]1/2 …(46) このように、本発明は種々の構造のエリプソメータに適
用することが可能である。
× [I 1 / {σRTwo (I2 + I3)-? TTwo ・ I1}]1/2 tanψ = | χ | [{σR Two (I2 + I3)-? TTwo ・ I1} / I1]1/2  … (46) Thus, the present invention is suitable for ellipsometers of various structures.
It is possible to use

【0112】[0112]

【発明の効果】以上説明したように本発明のエリプソパ
ラメータ測定方法及びエリプソメータによれば、測定対
象にて反射された楕円偏光を有する反射光を互いに偏光
方向が異なる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、検出された全部の光強度を用いて、
統計的に最も精度の高いと見なせるエリプソパラメータ
Δ,ψを算出している。したがって、高い測定速度を維
持したままで、常に一定水準以上の高い膜厚測定精度を
得ることができる。
As described above, according to the ellipsometric parameter measuring method and the ellipsometer of the present invention, the reflected light having the elliptically polarized light reflected by the object to be measured is separated into four or more polarized components having different polarization directions. Then, the light intensity of each polarized light component is detected, and by using all the detected light intensities,
The ellipsometric parameters Δ and せ る, which can be regarded as having the highest statistical accuracy, are calculated. Therefore, it is possible to always obtain a high film thickness measurement accuracy higher than a certain level while maintaining a high measurement speed.

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

【図1】 本発明の一実施例に係わるエリプソメータの
本体内部の構造を示す模式図、
FIG. 1 is a schematic diagram showing a structure inside a main body of an ellipsometer according to one embodiment of the present invention;

【図2】 実施例エリプソメータにおける反射光の楕円
偏光を示す図、
FIG. 2 is a diagram showing elliptically polarized light of reflected light in an example ellipsometer;

【図3】 実施例エリプソメータ全体の概略構成図、FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the entire ellipsometer of the embodiment;

【図4】 実施例エリプソメータの動作を示す流れ図、FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the ellipsometer of the embodiment;

【図5】 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. 5 is a schematic configuration diagram of an apparatus for measuring an oxide film thickness of a silicon wafer using an example ellipsometer,

【図6】 同酸化膜厚測定装置の動作を示す流れ図、FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the oxide film thickness measuring apparatus;

【図7】 実施例エリプソメータで得られた位相差Δと
回転検光子法で求め位相差Δとの関係を示す図、
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between the phase difference Δ obtained by the ellipsometer of the embodiment and the phase difference Δ obtained by the rotation analyzer method.

【図8】 従来エリプソメータで得られた位相差Δと回
転検光子法で求め位相差Δとの関係を示す図、
FIG. 8 is a diagram showing a relationship between a phase difference Δ obtained by a conventional ellipsometer and a phase difference Δ obtained by a rotation analyzer method.

【図9】 本発明の他の実施例に係わるエリプソメータ
の本体内部の構造を示す図、
FIG. 9 is a diagram showing a structure inside a main body of an ellipsometer according to another embodiment of the present invention;

【図10】 同じく他の実施例エリプソメータの構造を
示す図、
FIG. 10 is a view showing the structure of an ellipsometer according to another embodiment;

【図11】 さらに別の実施例エリプソメータの構造を
示す図、
FIG. 11 is a view showing a structure of an ellipsometer according to still another embodiment;

【図12】 さらに別の実施例エリプソメータの構造を
示す図、
FIG. 12 is a view showing a structure of an ellipsometer according to still another embodiment;

【図13】 さらに別の実施例エリプソメータの構造を
示す図、
FIG. 13 is a view showing a structure of an ellipsometer according to still another embodiment;

【図14】 さらに別の実施例エリプソメータの構造を
示す図、
FIG. 14 is a view showing a structure of an ellipsometer according to still another embodiment;

【図15】 さらに別の実施例エリプソメータの構造を
示す図、
FIG. 15 is a view showing a structure of an ellipsometer according to still another embodiment;

【図16】 従来のエリプソメータの概略構成を示す模
式図、
FIG. 16 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a conventional ellipsometer.

【図17】 一般的な反射光の楕円偏光を示す図。FIG. 17 is a view showing elliptically polarized light of general reflected light.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…エリプソメータ本体、11…A/Dコンバータ、
12…パーソナルコンピュータ、13…試料面、14…
半導体レーザ光源、15…偏光子、16…光源部、17
…入射光、18…反射光、19,19a…無偏光ビーム
スプリッタ、21,22,44,45,46,47,4
8…偏光ビームスプリッタ、23a〜23f…受光器、
35…シリコンウェーハー、40,49…1/4波長
板、43a〜43d,50…検光子、51…複合偏光ビ
ームスプリッタ。
10: Ellipsometer body, 11: A / D converter,
12 personal computer, 13 sample surface, 14
Semiconductor laser light source, 15: polarizer, 16: light source unit, 17
... incident light, 18 ... reflected light, 19, 19a ... non-polarizing beam splitter, 21, 22, 44, 45, 46, 47, 4
8 ... polarization beam splitter, 23a to 23f ... light receiver,
35: silicon wafer, 40, 49: quarter wave plate, 43a to 43d, 50: analyzer, 51: composite polarizing beam splitter.

───────────────────────────────────────────────────── 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 昭62−251629(JP,A) 特開 平2−62930(JP,A) 特開 平3−160331(JP,A) 特開 平5−71923(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 11/06 G01J 4/04 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Tomoyuki Kaneko 1-2-1, Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Inside Nippon Kokan Co., Ltd. (56) References JP-A-62-251629 (JP, A) JP-A-2 -62930 (JP, A) JP-A-3-160331 (JP, A) JP-A-5-71923 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01B 11/06 G01J 4/04

Claims (7)

(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つ以上の複数の偏光成分に分離し、この分離され
た複数の偏光成分の光強度から統計的手法を用いて、前
記反射光における位相差Δおよび振幅比 tanψから決定
されるエリプソパラメータΔ,ψを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 made incident on a measurement object at a predetermined angle, and reflected light of the measurement object is separated into four or more different polarization components, respectively, different from each other. Ellipsometric parameters Δ, エ リ determined from the phase difference Δ and the amplitude ratio tan に お け る in the reflected light using a statistical method from the light intensity of the ellipsometric parameters.
【請求項2】 前記統計的手法は最小2乗法である請求
項1記載のエリプソパラメータ測定方法。
2. The method according to claim 1, wherein the statistical method is a least squares method.
【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偏光方向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
検出する複数の受光器と、この複数の受光器にて検出さ
れた複数の光強度から統計的手法を用いて、前記反射光
における位相差Δおよび振幅比 tanψから決定されるエ
リプソパラメータΔ,ψを求める演算部とを備えたエリ
プソメータ。
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 polarization components having four or more polarization directions different from each other, and the optical system. A plurality of light receivers for detecting the light intensity of each polarized light component separated by the system, and a phase difference Δ in the reflected light using a statistical method from the plurality of light intensities detected by the plurality of light receivers. And an arithmetic unit for calculating ellipsometric parameters Δ and 決定 determined from the amplitude ratio tanψ.
【請求項4】 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偏光方向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
検出する複数の受光器と、この複数の受光器にて検出さ
れた複数の光強度から下記(1)(2)(3)(4)式を用いて、前
記反射光における位相差Δおよび振幅比 tanψから決定
されるエリプソパラメータΔ,ψを求める演算部とを備
えたエリプソメータ。 tanψ=(A/C)1/2 …(1) cos(Δ−φ0 −φB )=(B/C)(C/A)1/2 …(2) ここで、A,B,Cは、 【数1】 但し、 xi = cos2 Ai yi =2σi ・χ・ cosAi・ sinAi zi =Ii ui =−(σi ・χ)2 sin2 Ai …(4) である。また、Aiは測定対象へ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 (i=
1,2,3,……) ,φB は反射光を複数の偏光成分に分離す
る光学系によって定まる定数であり、χ,φ0 は入射光
の偏光状態で定まる定数であり,Ii (i=1,2,3,……)
は受光器にて検出される光強度であり、wi (i=1,2,3,
……) は重み関数である。
4. A light source unit for causing polarized light to enter a measurement target at a predetermined angle, an optical system for separating reflected light reflected by the measurement target into polarization components having four or more polarization directions different from each other, and this optical system A plurality of light receivers that detect the light intensity of each polarized light component separated by the system, and a plurality of light intensities detected by the plurality of light receivers, the following equations (1) (2) (3) (4) And an arithmetic unit for obtaining ellipsometric parameters Δ, さ れ る determined from the phase difference Δ and the amplitude ratio tan に お け る in the reflected light using the following. tanψ = (A / C) 1/2 … (1) cos (Δ−φ 0 −φ B ) = (B / C) (C / A) 1/2 (2) where A, B, and C are given by: Where x i = cos 2 Ai y i = 2σi · χ · cosAi · sinAi z i = Ii u i = - (σi · χ) 2 sin 2 Ai ... (4). Ai is the azimuthal angle of polarized light with the direction parallel to the plane of incidence of the incident light on the measurement object as the reference direction, and σi (i =
1,2,3, ......), φ B is a constant determined by the optical system for separating the reflected light into a plurality of polarized light components, χ, φ 0 is a constant determined by the polarization state of the incident light, Ii (i = 1,2,3, ……)
Is the light intensity detected by the light receiver, w i (i = 1,2,3,
……) is a weight function.
【請求項5】 前記各重み関数wi (i=1,2,3,……) は
該当チャンネルiの光強度Ii の関数である請求項4記
載のエリプソメータ。
5. The ellipsometer according to claim 4, wherein each of the weighting functions w i (i = 1, 2, 3,...) Is a function of the light intensity Ii of the corresponding channel i.
【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4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. 5. The ellipsometer according to claim 4, comprising a plurality of polarization beam splitters for decomposing into polarization components of different directions.
【請求項7】 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4方向以上の光に分岐する複
数の無偏光ビームスプリッタと、この各無偏光ビームス
プリッタにて分岐された各光における互いに異なる方向
の偏光成分を透過させる複数の検光子とで構成された請
求項4記載のエリプソメータ。
7. The optical system includes a plurality of non-polarizing beam splitters for splitting reflected light reflected by the measurement target into lights in four or more different directions, and splitting by each of the non-polarizing beam splitters. 5. The ellipsometer according to claim 4, comprising a plurality of analyzers for transmitting polarized light components of different directions in each light.
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