JP3337252B2 - 薄膜の厚さを求める方法および装置 - Google Patents

薄膜の厚さを求める方法および装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は薄膜の厚さまたは光定数
を求める装置に関する。本発明は特に、厚さ１００オン
グストローム未満の膜測定に有用である。
【０００２】
【従来の技術】薄膜の厚さおよびこれらの薄膜の光定数
を正確に測定するためのシステムを開発することに多大
の関心がある。特に、半導体製造業界では、シリコン基
板上の薄膜酸化物層の厚さを測定するという大きな必要
性がある。有用であるためには、測定装置は膜の厚さを
高精度で決定することができなければならず、また極め
て局地化された区域内で（すなわちミクロンの程度で）
測定を行うことができなければならない。
【０００３】これらの目標を達成する１つのそのような
装置は、オプチプローブという商標で最近譲受人によっ
て紹介された。この装置で測定を得るのに用いられる方
法は、１９９１年３月１２日にゴールド（Ｇｏｌｄ）ら
に対して発行され、また参考として本明細書に包含され
る共通所有の米国特許第４，９９９，０１４号に詳しく
説明されている。
【０００４】この発明に説明される通り、高電力、球形
の顕微鏡対物レンズは、入射角の広がりを作るようにサ
ンプルの表面に事実上直角なプローブ・ビームを緊密に
集束するのに用いられる。不連続な検出器素子のアレイ
は、反射されたプローブ・ビーム内の個々の光線の輝度
を測定するために具備されている。これらの個々の光線
は、サンプルの表面に関して別々の入射角に対応する。
角度依存の輝度測定を用いて、プロセッサは薄膜のパラ
メータを求めることができる。層の厚さおよび屈折率の
ようなパラメータは、フレネルの式を用いて決定するこ
とができる。
【０００５】特許第４，９９９，０１４号に開示された
基本構想のいくつかは、ゴールドらに対して１９９１年
８月２７日に発行されかつ参考として本明細書に包含さ
れた共通所有の米国特許第５，０４２，９５１号に説明
されている高解像度楕円計の開発に及んだ。この装置で
は、サンプルの表面からの反射に起因するプローブ・ビ
ームの偏光状態の変化が分析され、その結果従来の楕円
計のパラメータはサンプルを測定するのに用いることが
できる。前述の特許に見られる通り、楕円計の検出器配
列には分離型検出素子のアレイが含まれるので、角度依
存の輝度測定を行うことができる。
【０００６】上述の両装置は、薄膜層に関する情報を提
供する。しかし、また両特許に説明された通り、追加の
精度は、分離素子のアレイによる光線の角度依存の輝度
を測定することによって得られるだけではなく、さらに
反射されたプローブ・ビームの全電力を測定することに
よっても得られる。反射されたプローブ・ビームの全電
力を測定する利点は、それが極めて良好なＳ／Ｎ比を提
供する点である。注意すべきことは、反射されたプロー
ブ・ビーム全電力の測定が薄膜厚さのみを求めるのには
使用できないことであり、その理由はこの信号が線形で
はなくて、厚さと共に正弦波状に変化するからである。
しかし、概略厚さが、角度依存の輝度測定を用いて得ら
れるならば、実際の厚さは追加の全電力測定を用いて一
段と正確に求めることができる。
【０００７】実際に、角度依存の輝度検出および全プロ
ーブ・ビーム電力検出を用いて、１００オングストロー
ムまでの薄膜の厚さおよび光定数の正確な測定が達成さ
れた。１００オングストローム以下においては、膜の干
渉の影響は小さいので、分離素子検出器と組み合わされ
るＳ／Ｎ比によると、角度依存の輝度測定による分析は
困難になる。さらに、１００オングストローム以下の領
域での標準の全電力測定の感度も低い。
【０００８】したがって、本発明の１つの目的は、厚さ
１００オングストローム以下の膜の厚さを測定する方法
を提供することである。
【０００９】本発明のもう１つの目的は、厚さ１００オ
ングストローム以下の膜の光定数を決定するための装置
を提供することである。
【００１０】本発明のさらにもう１つの目的は、ミクロ
ン程度の解像度で薄膜のパラメータを求める装置を提供
することである。
【００１１】本発明のさらにもう１つの目的は、薄膜の
厚さおよび光定数の測定をさらに正確にする既存のシス
テムと関連して使用することができる方法ならびに装置
を提供することである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】上記および他の諸目的
により、方法及び装置は薄膜のパラメータを求めるため
に開示される。装置には、放射線のプローブ・ビームを
発生させる装置が含まれる。高電力、球形の顕微鏡対物
レンズは、入射角の広がりを作るサンプルの表面に実質
的に垂直なプローブ・ビームを緊密に集束するのに用い
られる。プローブ・ビームが直径約１ミクロン以下のス
ポット・サイズまで集束されることが望ましい。ビーム
の１つの偏光状態の位相を他の位相に関して遅らせる装
置が提供されている。具体的に説明される実施例では、
プローブ・ビームが当初直線偏光される場合、１／４波
長板は９０°の角度だけ反射プローブ・ビームの１つの
偏光状態の位相を遅らせるのに用いられる。
【００１３】次に、反射されたビームは直線偏光器を通
過して２つの偏光状態成分間に干渉を作る。ビームの電
力は、２つの直交軸に沿う検出器によって測定される。
好適実施例では、４つの放射状に配列された象限をもつ
四角形セルが使用される。各象限は異なる入射角を持つ
すべての光線を受けて、角度依存輝度測定値を効果的に
積分する全電力の出力信号を発生させる。以下に一段と
詳しく説明する通り、光学成分の形状のために、各象限
の電力は、１組の直径方向に対向する象限では正とな
り、また残りの象限では負となる期間を除くとすべて同
一である。直径方向に対向する各象限の出力の和を減算
することによって、薄膜の厚さに対して線形比例する信
号が得られる。
【００１４】検出器の各象限の信号はビームの全象限の
電力からその大きさを得るので、Ｓ／Ｎ比はビーム内の
特定の点でのみ輝度を測定する小形の分離型検出器のみ
を用いて得られるものよりも良好となる。さらに、測定
値には入射角の範囲にわたる情報が含まれるので、信号
は１００オングストローム以下の薄膜厚さの領域内にお
いて高感度である。この結果は、標準の全電力測定で得
られる感度の低レベルに比較することができる。
【００１５】
【課題を解決するための手段】全電力測定に似たこの方
法の感度は厚さと共に正弦波状に変化するが、本発明の
測定は１００オングストローム以上でも有用であること
が判明した。特に、０と５０００オングストロームとの
間の膜厚さの領域では、この方法の感度は全電力測定が
最小であるような領域で最大となる。したがって、本方
法は、全電力測定が弱い感度である場合に、厚さ領域の
分析をさらに良好にする上述の角度依存の測定によって
具合よく実行することができる。
【００１６】言うまでもないが、この方法は角度輝度測
定を積分する働きをするので、個々の光線を測定するこ
とによって得られる情報は失われる。したがって、極薄
膜のパラメータの詳細な分析は、この測定だけに基づい
ては困難と思われる。しかし、この方法から得られる測
定は、極薄膜の特定なパラメータの極めて正確な評価を
与える既知のサンプルと同等である。多くの場合、評価
すべき未知のパラメータは薄膜の厚さとなる。厚さが既
知であるならば、システムは薄膜の屈折率のようなもう
１つの光定数を決定するのに使用することができる。
【００１７】本発明の追加の諸目的および諸利点は、付
図に関する下記の詳細な説明から明らかになると思う。
【００１８】
【実施例】図１から、装置１０は本発明の方法を実行す
るために具体的に説明される。装置１０はサンプル１４
の上の薄膜層１２の厚さを求めるように設計されてい
る。特に、本装置はシリコン基板上の薄膜酸化物層の厚
さを測定することができる。
【００１９】装置１０には、放射線のプローブ・ビーム
２２を発生させるレーザ２０が含まれる。１つの適当な
レーザ源は、直線偏光されたビームを出す固体レーザ・
ダイオードである。そのようなレーザは、６７０ｎｍで
３ミリワットの出力を有する東芝のモデルＴＬＤ９２１
１から得られる。
【００２０】プローブ・ビーム２２は５０／５０ビーム
・スプリッタ２４によってサンプル１４に向けられる。
プローブ・ビームは、レンズ２６によってサンプルの表
面上に集束される。好適実施例では、レンズ２６は０．
９０ＮＡの程度の高開口数の球形の顕微鏡対物レンズに
特定される。高開口数は、サンプル表面に関して入射角
の大きな広がりを作る働きをする。スポット・サイズ
は、直径１ミクロン程度である。
【００２１】プローブ・ビーム出力の一部もスプリッタ
２４を通過して入射角出力検出器３０に入る。上述に引
用した特許で検討した通り、入射角出力検出器３０が具
備されて、プローブ・レーザの出力の変動を監視する。
以下に検討する通り、入射角出力検出器はこの発明のた
めに変形されて、ビームの非対称性により生じる測定誤
差を最小にする。
【００２２】サンプルの表面から反射された光は、スプ
リッタ２４を経て検出器４０に向かって上方に通過す
る。ビーム２２は検出器４０に達する前に、１／４波長
板４２を通過して、ビームの偏光状態の１つの位相を９
０°だけ遅らせる。注意すべきことは、プローブ・ビー
ムがサンプルに当たる前に１／４波長板がビーム通路内
に置かれることであり、その結果システムは円形に偏光
された光と共に作動する。後者の方法には、レンズ２６
によって作られる収差を減少させるというある利点があ
る。さらに、９０°の位相遅延は所望の信号を最大にす
るが、遅延の他の中間レベルが可能となる。
【００２３】次にビームは、その２つの偏光状態を相互
に干渉させる働きをする線形偏光器４４を通過する。所
望の信号を最大にするように、偏光器の軸１／４波長板
４２の速遅軸に関して４５°の角度に向けられるべきで
ある。
【００２４】本発明により、検出器４０は２つの直交軸
に沿う領域から独自の信号を発生させるように構成され
ている。好適実施例では、この目標は四角セル検出器を
用いて達成される。図２に具体的に示される通り、検出
器表面には４個の放射状に置かれた象限５２、５４、５
６および５８が含まれる。各象限は、その象限に当たる
プローブ・ビームの出力の大きさに比例する出力信号を
発生する。この信号は、サンプル表面に関して異なる入
射角を有するすべての光線の輝度の積分を表わす。この
積分方法は個々の光線の分析に比較されるとある情報内
容を失う結果となるが、合成方法は強化されたＳ／Ｎ動
作により著しく大きな感度を提供する。
【００２５】プローブ・ビーム２２は検出器の中央に入
るべきなので、各象限はプローブ・ビームの１／４を遮
断する。プローブ・ビームは検出器を満すべきではな
い。
【００２６】上述の通り、光素子の形状により、層の厚
さに線形変化する結果を形成する信号応答が生成され
る。この応答は、線形偏光された光に関して説明される
以下の分析から理解することができる。上述の通り、シ
ステムは円形偏光された光と共に動作することもでき
る。
【００２７】以下の分析において、ｒがビームの中心か
ら放射距離でありかつφがｘ軸に関する角度である場
合、入射光はＥｉ（ｒ、φ）ｅx を有するものと思われ
る。対物レンズ２６を通過し、サンプル表面から反射
し、そしてレンズを通過して戻ってから、電界は空間に
依存して
【００２８】
【数１】 の形を有する。ここで、ｅx およびｅy はｘおよびｙ軸
に沿う単位ベクトルであり、ＲP は複合Ｐ−波振幅反射
係数であり、そしてＲS は複合Ｓ−波振幅反射係数であ
る。ビーム、ｒ内の放射位置は、式ｒ＝ｄｓｉｎθを通
るサンプル、θ上の入射角に関連する。この場合ｄは対
物レンズの焦点距離である。ＲP およびＲS は、θの関
数であってφとは無関係である。
【００２９】ｘ−成分がｙ−成分に関して９０°遅延さ
れ、次にｘ−軸に対して角αに向けられる線形偏光器４
４を通過するように向けられた１／４波長遅延４２をビ
ーム２２が通過するならば、電界は下記の形になる。
【００３０】
【数２】
【００３１】光の輝度は電界の大きさの二乗に等しく、
つまりＩR ＝｜ＥR ｜2 である。ＩR は下記の関係によ
り楕円計パラメータΨおよびδの項で表わされる。
【００３２】
【数３】 および
【００３３】
【数４】 ｜ＥR ｜2 の式を実行すると、
【００３４】
【数５】
【００３５】極薄膜の場合、ｔａｎΨは厚さと無関係で
あり、またδは厚さに線形比例する。したがって、上式
の最終項は最も重要である。上述の通り、この項はアナ
ライザ角αが４５°であるときに最大となる。
【００３６】検出器の各象限に入る全電力は、象限上の
ＩR の積分に等しい。入射レーザ・ビーム、Ｉi が円形
対称であるならば、各象限の電力は、
【００３７】
【数６】 によって与えられる。
【００３８】第２積分の符号は、象限５４および５８で
は正、象限５２および５６では負である。象限５２およ
び５６からの信号が象限５４および５８からの信号の和
から加算又は減算されるならば、残りは、薄膜の厚さに
線形比例するサンプル形式を有し、すなわち
【００３９】
【数７】 次に、極薄膜または小さなδでは、
【００４０】
【数８】
【００４１】図３および図４のグラフは、シリコン（Ｓ
ｉ）基板上の二酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜の厚さと共
に変化する出力信号Ｓの変化を具体的に示す。入射レー
ザ・ビームは、ガウス輝度プロファイルを有するものと
思われ、また対物レンズの開口数は０．９であった。比
較のため、４つの象限の和も示されているが、それは上
述の特許に開示された全反射輝度測定に対応する。
【００４２】これらの曲線は、１００オングストローム
より薄い膜の四角セル差信号の優れた感度を証明する。
それらは、和と差の信号法が相補形であることを示す。
特に、差信号がピークまたは谷であるとき、つまりその
厚さの感度が最大である場合、全反射度信号はけわしい
傾斜を有する。逆に、全反射度信号がピークまたは谷に
あるとき、差信号はけわしい傾斜を有する。つまり、２
つの方法の組合わせを使用することによって、０オング
ストロームから少なくとも５０００オングストロームま
でのすべての厚さについて大区域検出のＳ／Ｎ比の利点
を完全に得ることができる。
【００４３】分析を実行するために、検出器４０からの
出力信号はプロセッサ６０に供給される。プロセッサ６
０は、直径方向に対向する象限５２、５６と５４、５８
からの信号の和の間の差を見出だす働きをする。差の値
は、既知の厚さに関する値の測定表と同等である。図４
から見られる通り、５００オングストローム以下の領域
の信号に著しい変化があるので、正確な測定を行うこと
ができる。膜の厚さが既知である場合には、差の信号は
膜の他の光定数、特に屈折率および消滅係数を決定する
のに用いられる。
【００４４】広い意味で、四角セルの差信号は、薄膜の
光学厚さ（ｎｔ）および基板の消滅に関する楕円計パラ
メータδの１つの極めて正確な測定を提供し（極薄膜を
測定するとき）、かついずれのパラメータを測定するた
めにも使用することができる。より厚い膜では、四角セ
ルの差信号によって供給される情報はΨおよびδの複合
関数であるが、差信号が任意の未知の値（厚さ、屈折率
または消滅係数）の計算を良好に行うために使用され
る。
【００４５】本方法が上述の特許に説明された装置に包
含されることが予見される。この包含が極めて簡明であ
り得るのは、上述の装置が既に本発明を実行するのに必
要な素子の大部分を具備しているからである。無視でき
ないほど、従来の装置はいずれも全電力検出器（両特許
における素子３４０）を含んでいた。この標準の全電力
検出器は、四角セル検出器と置き替えることができる。
認められる通り、全電力測定が所望されるならば、すべ
ての４つの象限は加算される。これに対し、差信号が本
方法によって所望されるならば、プロセッサは直径方向
に対向される象限の和を減じることができる。従来の装
置は、適当な遅延および偏光素子の追加によってさらに
変形される。
【００４６】１００オングストロームより大きな厚さの
膜では、最初の測定は角度依存の輝度測定に基づく。測
定を良好にするには、全電力測定または本方法の差測定
のいずれかを使用すればよい。その選択は、測定中の特
定な厚さ領域における信号の感度に基づく。
【００４７】上述の数学的分析は、プローブ・ビームが
円形に対称またはφに無関係であったと想定した。そう
でなければ、式（５）の先頭の項は減算により消去され
ない。この残りの項は、薄膜測定のオフセットを導き、
それによって結果の解読を複雑にする。さらに、特別な
項が装置のＳ／Ｎ比を引き下げることができるのは、そ
れが薄膜についての有用な情報に寄与しないでノイズ・
レベルを増加させるからである。そのような誤りを最小
にするために、いろいろな信号処理法を使用することが
できる。
【００４８】そのような誤りを最小にさせる１つの方法
は、線形偏光器４０を回転させてα＝０°およびδ＝９
０°で信号を記録することである。ＩR に関する式
（５）から、
【００４９】
【数９】 であることが分かる。
【００５０】４５°の信号から０°および９０°の信号
を引くことによって、微小なδに比例する項を隔離させ
ることができる。減算は各個の象限について行われるの
で、円形非対称性は結果に影響を及ぼさない。図１に示
される通り、偏光器４４の回転はプロセッサ６０の制御
を受けて行われる。
【００５１】第２の方法は図５に具体的に示されてい
る。この方法では、２つの同一な四角セル検出器７０お
よび７２が同時に使用されて、反射されたビームの左右
円形成分を測定する。これは、最終の線形偏光器４４を
偏光ビーム・スプリッタ７４に置き替えることによって
最も直接的に達成することができる。偏光ビーム・スプ
リッタ７４を通過してから、２つのビームが作られる。
１つのビームは右成分であり、他のビームは左成分であ
る。２つの四角セルに当たる電力は同一であるが、微小
なδの線形項の符号変化の場合を除く。この配列によっ
て、１つの検出器における１つの象限によって発生され
る信号の、他の検出器の対応する象限によって発生され
る信号からの減算は、薄膜について線形である結果を作
る。信号は、結果を象限ごとに加減算することにより最
大にすることができる。
【００５２】上記２つの方法のいずれも微小なδに関す
る項の除去を保証する一方、残りの線形項は依然として
そのＩi （ｒ，φ）の依存によるビームの任意な非対称
性によって重みを付けられる。大部分の場合、入射光の
ｒおよびφ依存は、既知のサンプルからの信号を測定し
てそれらを原理に比較することによって算出することが
できる。しかし、入射ビームの動的変化を追跡するため
に、別の検出器で入射輝度を監視する必要がある。
【００５３】上述の特許に述べられた装置では、単一の
検出器が、レーザにより発生されたビームの輝度の変化
の影響を除去するために、入射ビームの全輝度を測定す
る。この構想は、入射ビーム検出器を四角セル検出器
（図１に３０として示されている）に変形することによ
って拡大することができる。四角セル検出器を使用する
ことによって、入射ビームの対称性の微小な変化も測定
することができる。検出器３０の対応する象限で測定さ
れた入射電力と共に検出器４０の象限からの信号を個々
に正規化することによって、対称性変化の影響は大幅に
減少させることができる。
【００５４】要するに、薄膜のパラメータを求める方法
および装置が開示された。装置には、入射角の広がりを
作るサンプル表面にきっちりと集束される線形偏光プロ
ーブ・レーザ・ビームが含まれる。反射されたプローブ
・ビームは、四角セル検出器に当たる前に１／４波長板
および線形偏光器を通過する。検出器からの出力信号
は、いろいろな入射角を持つ個々の光線の輝度の積分を
表わす。直径方向に対向する象限の出力信号の和と和の
間の差を取ることによって、極薄膜の厚さと共に線形変
化する値を得ることができる。本装置は、他の従来の装
置と共に使用してより厚い膜の感度を強めるのに用いる
ことができる。
【００５５】本発明は好適実施例に関して述べられた
が、いろいろいな変更および変形は、添付の特許請求の
範囲によって定められた本発明の範囲および主旨から逸
脱せずに、当業者によって作られると思われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置のブロック図である。
【図２】本発明に使用された四角セル検光器の表面の概
略図である。
【図３】本発明の、全反射度を測定する検出器及び信号
（四角セル差信号）を測定する検出器に関して、酸化物
層の厚さに対する出力信号の振幅の変化を比較したグラ
フ図である。
【図４】５００オングストローム以下の酸化物の厚さの
領域における信号を具体的に示す図３のグラフ図の拡大
図である。
【図５】プローブ・ビームの非対称性による誤りを最小
にするように作られた他の実施例のブロック図である。
【符号の説明】
１０ 装置 １２ 薄膜層 １４ サンプル ２０ レーザ ２２ プローブ・ビーム ２４ ビーム・スプリッタ ２６ 対物レンズ ３０ 入射電力検出器 ４０ 検光器（検出器） ４２ 波長遅延板 ４４ 線形偏光器 ５２ 象限 ５４ 象限 ５６ 象限 ５８ 象限 ６０ プロセッサ ７０ 検出器 ７２ 検出器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アラン・ロゥゼンウェイグ アメリカ合衆国、94506 カリフォルニ ア州 ダンビル、ディア・ハロー・ドラ イブ 3304 (72)発明者 ジョン・オプサル アメリカ合衆国、94526 カリフォルニ ア州 リバーモア、ノアウッド・ロード 2295 (56)参考文献 特開 平３−17505（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−205536（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−242308（ＪＰ，Ａ) 米国特許4377343（ＵＳ，Ａ) 国際公開88／4402（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30

Claims (34)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 放射プローブ・ビームを発生させる装置
    と、 サンプルの表面に実質的に垂直にプローブ・ビームを集
    束し、該集束されたプローブ・ビーム内のいろいろな光
    線が入射角の広がりを作るようにする集束装置と、 プローブ・ビームの他の偏光状態の位相に応じてプロー
    ブ・ビーム内の１つの偏光状態の位相を遅延させる装置
    と、 プローブ・ビームがサンプルの表面から反射されてから
    プローブ・ビームの２つの偏光状態間の干渉を作る偏光
    装置と、 ２つの直交軸に沿って反射されたプローブ・ビームの出
    力が、前記遅延および偏光装置を通過してから該出力を
    測定する検出装置であって、異なる入射角を持ついろい
    ろいな光線の輝度を積分する出力を発生し、該出力が前
    記２つの直交軸に対応する２つの成分を有する検出装置
    と、 該検出装置の出力に基づくサンプル上の薄膜のパラメー
    タを求めるプロセッサ装置とを有するサンプルの表面上
    の薄膜のパラメータを求める装置。
  2. 【請求項２】 前記検出装置が４つの放射状に置かれた
    象限を有する検出器であることを特徴とする請求項１記
    載の装置。
  3. 【請求項３】 前記プロセッサ装置が直径方向に対向す
    る象限の出力の和の間の差を算出することによって測定
    値を導くことを特徴とする請求項２記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記プロセッサ装置が薄膜のパラメータ
    を決定するために前記得られた測定値を既知の測定表に
    比較することを特徴とする請求項３記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記パラメータが薄膜の厚さであること
    を特徴とする請求項４記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記パラメータが薄膜の光定数であるこ
    とを特徴とする請求項４記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記光定数が薄膜の屈折率であることを
    特徴とする請求項６記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記光定数が薄膜の消光係数であること
    を特徴とする請求項６記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記遅延装置が１／４波長板によって構
    成されることを特徴とする請求項１記載の装置。
  10. 【請求項１０】 ビームがサンプルから反射された後の
    ビーム通路に前記１／４波長板が置かれることを特徴と
    する請求項９記載の装置。
  11. 【請求項１１】 プローブ・ビームが、サンプル表面に
    集束される前に線形偏光されることを特徴とする請求項
    １０記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記偏光装置の軸が、前記１／４波長
    板の軸に関して４５°の角度で置かれることを特徴とす
    る請求項９記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記プロセッサ装置が、さらに前記偏
    光装置を回転させかつ前記検出装置からの追加の測定値
    を記録し、そのとき、前記偏光装置の軸が１／４波長板
    の軸に関して０°および９０°のいずれにも向けられ、
    前記追加の測定が、前記偏光装置が４５°の角度に向け
    られるときに行われる測定を正規化するのに用いられ、
    それによってプローブ・ビームの非対称性に起因する誤
    りを最小にすることを特徴とする請求項１２記載の装
    置。
  14. 【請求項１４】 ４つの放射状に置かれた象限を持ちか
    つ第１検出器と同一である第２検出器をさらに含み、ま
    た前記偏光装置が、左右の円形成分で２つの部分ビーム
    を作る偏光ビーム・スプリッタによって構成され、前記
    部分ビームの１つが前記第１検出器によって測定され、
    また他の部分ビームが前記第２検出器により測定され、
    前記プロセッサ装置が、２つの検出器により発生された
    出力を用いることにより、プローブ・ビームにおける非
    対称性の影響を最小にすることを特徴とする請求項２記
    載の装置。
  15. 【請求項１５】 プローブビームがサンプルに達する前
    に該プローブ・ビームの出力を測定する入射ビーム検出
    器をさらに含み、該入射ビーム検出器が４つ放射状に置
    かれた象限を有し、また前記プロセッサ装置が、反射ビ
    ーム検出器の測定値を正規化するための入射ビーム検出
    器によって発生される出力を使用することにより、プロ
    ーブ・ビームにおける非対称性の影響が最小になること
    を特徴とする請求項２記載の装置。
  16. 【請求項１６】 前記プローブ・ビームが直径約１ミク
    ロンのスポットサイズに集束されることを特徴とする請
    求項１記載の装置。
  17. 【請求項１７】 線形偏光された放射プローブ・ビーム
    を発生させる装置と、 サンプルの表面に実質的に垂直にプローブ・ビームを集
    束して、該集束されたプローブ・ビーム内のいろいろい
    な光線が入射角の広がりを作るようにする集束装置と、 プローブ・ビームにおける他の偏光状態の位相に関して
    プローブ・ビームの１つの偏光状態の位相を遅延させる
    １／４波長板と、 プローブ・ビームがサンプルの表面から反射されてか
    ら、プローブ・ビームの２つの偏光状態間に干渉を作る
    線形偏光器と、 反射されたプローブ・ビームが１／４波長板および偏光
    器を通過してから該反射プローブ・ビームの出力を測定
    する４つの放射状に置かれた象限を有する光検出器であ
    って、その象限に入射するプローブ・ビームの出力に比
    例する各象限からの出力を発生させる光検出器と、 直径方向に対向する象限の出力の和と和の間の差を算出
    することによって測定値を導くプロセッサ装置であっ
    て、前記測定値がサンプル上の薄膜の厚さを求めるのに
    使用されるプロセッサ装置とを含む、サンプルの表面上
    の薄膜の厚さを測定する装置。
  18. 【請求項１８】 前記プロセッサ装置が、既知の測定表
    と前記得られた測定値とを比較して薄膜層の厚さを求め
    ることを特徴とする請求項１７記載の装置。
  19. 【請求項１９】 ビームがサンプルから反射された後
    に、前記１／４波長板がビーム通路に置かれることを特
    徴とする請求項１７記載の装置。
  20. 【請求項２０】 前記偏光器の軸が前記１／４波長板の
    軸に関して４５°の角度に向けられていることを特徴と
    する請求項１７記載の装置。
  21. 【請求項２１】 前記プロセッサ装置が、さらに前記偏
    光装置を回転させかつ前記検出装置からの追加の測定値
    を記録し、そのとき、前記偏光装置の軸が前記１／４波
    長板の軸に関して０°および９０°のいずれにも向けら
    れ、前記追加の測定が、前記偏光装置が４５°の角度に
    向けられるときに行われる測定を正規化するのに用いら
    れ、それによってプローブ・ビームの非対称性に起因す
    る誤りを最小にすることを特徴とする請求項２０記載の
    装置。
  22. 【請求項２２】 ４つの放射状に置かれた象限を持ちか
    つ第１検出器と同一の第２検出器をさらに含み、また前
    記偏光装置が、左右の円形成分で２つの部分ビームを作
    る偏光ビーム・スプリッタによって構成され、前記部分
    ビームの１つが前記第１検出器によって測定され、また
    他の部分ビームが前記第２検出器により測定され、前記
    プロセッサ装置が、２つの検出器により発生された出力
    を用いることにより、プローブ・ビームにおける非対称
    性の影響を最小にすることを特徴とする請求項１７記載
    の装置。
  23. 【請求項２３】 プローブビームがサンプルに達する前
    に該プローブ・ビームの出力を測定する入射ビーム検出
    器をさらに含み、該入射ビーム検出器が４つ放射状に置
    かれた象限を有し、また前記プロセッサ装置が、反射ビ
    ーム検出器の測定値を正規化するための入射ビーム検出
    器によって発生される出力を使用することにより、プロ
    ーブ・ビームにおける非対称性の影響が最小になること
    を特徴とする請求項１７記載の装置。
  24. 【請求項２４】 前記プローブ・ビームが直径約１ミク
    ロンのスポット・サイズに集束されることを特徴とする
    請求項１７記載の装置。
  25. 【請求項２５】 サンプルの表面上の薄膜のパラメータ
    を求める方法であって、 サンプルの表面に実質的に垂直に放射プローブ・ビーム
    を集束し、該集束されたプローブ・ビーム内のいろいろ
    いな光線が入射角の広がりを作るようにする段階と、 プローブ・ビームの１つの偏光状態の位相をプローブ・
    ビームの他の偏光状態の位相に関して遅延させる段階
    と、 プローブ・ビームがサンプルの表面から反射されてから
    該プローブ・ビームの２つの偏光状態を干渉させる段階
    と、 その後、２つの直交軸に沿って反射されたプローブ・ビ
    ームの出力を測定し、かつ異なる入射角を持ついろいろ
    な光線の輝度を積分する出力を発生させる段階であっ
    て、該出力が前記２つの直交軸に対応する２つの成分を
    有する段階と、 測定された出力に基づいてサンプル上の薄膜のパラメー
    タを求める段階とを含む方法。
  26. 【請求項２６】 前記求める段階が既知の測定表と測定
    された出力とを比較して薄膜層のパラメータを決定する
    段階を含むことを特徴とする請求項２５記載の方法。
  27. 【請求項２７】 前記パラメータが薄膜の厚さであるこ
    とを特徴とする請求項２５記載の方法。
  28. 【請求項２８】 前記パラメータが薄膜の光定数である
    ことを特徴とする請求２５記載の方法。
  29. 【請求項２９】 光定数が薄膜の屈折率であることを特
    徴とする請求項２８記載の方法。
  30. 【請求項３０】 光定数が薄膜の消光係数であることを
    特徴とする請求項２８記載の方法。
  31. 【請求項３１】 前記プローブ・ビームが直径約１ミク
    ロンのスポット・サイズに集束されることを特徴とする
    請求項２５記載の方法。
  32. 【請求項３２】 サンプルの表面上の薄膜の厚さを求め
    る方法であって、 サンプルの表面に実質的に垂直に線形偏光された放射プ
    ローブ・ビームを集束し、該集束されたプローブ・ビー
    ム内のいろいろいな光線が入射角の広がりを作るように
    する段階と、 プローブ・ビームの１つの偏光状態の位相を、プローブ
    ・ビームの他の偏光状態の位相に関して９０°だけ遅ら
    せる段階と、 プローブ・ビームが線形偏光器を用いてサンプルの表面
    から反射されてから該プローブ・ビームを偏光させる段
    階と、 その後、４つの放射状に配列された象限における反射さ
    れたプローブ・ビームの出力を測定する段階と、 象限に入射するプローブ・ビームの出力に比例する各象
    限からの出力信号を発生させる段階と、 直径方向に対向された象限の出力の和と和の間の差を算
    出することによって測定値を得る段階であって、前記測
    定値がサンプル上の薄膜の厚さを求めるのに用いられる
    段階とを含む方法。
  33. 【請求項３３】 前記得られた測定値を既知の測定表と
    比較して薄膜層の厚さを求める段階をさらに含むことを
    特徴とする請求項３２記載の方法。
  34. 【請求項３４】 前記プローブ・ビームが直径約１ミク
    ロンのスポット・サイズに集束される、ことを特徴とす
    る請求項３２記載の方法。
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