JP3520379B2

JP3520379B2 - 光学定数測定方法およびその装置

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Publication number: JP3520379B2
Application number: JP29540694A
Authority: JP
Inventors: 修市宇川
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 1994-11-29
Filing date: 1994-11-29
Publication date: 2004-04-19
Anticipated expiration: 2019-04-19
Also published as: JPH08152307A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は光学定数測定方法およ
びその装置に関し、さらに詳細にいえば、透光性のある
基板に直線偏光光を照射することにより得られる光の強
度分布を検出することにより透光性のある基板の屈折率
もしくは消衰係数の異方性または透光性のある基板の表
面に形成された複屈折性を有する薄膜の屈折率もしくは
消衰係数の異方性を測定するための方法およびその装置
に関する。なお、この明細書において、光学定数とは、
屈折率もしくは消衰係数を意味する用語として使用され
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ガラス基板に代表される、透
光性のある基板上に形成された複屈折性を有する薄膜層
の光学定数を測定する装置として、分光エリプソメータ
がよく知られている。この分光エリプソメータは、図１
１に示すように、ハロゲンランプなどの白色光源８０か
ら出射された光をモノクロメータ８１に導くことにより
単一波長の光を取り出し、この単一波長の光を偏光子８
２に導くことにより直線偏光の光を得る。そして、この
直線偏光光を透光性のある基板８３上に形成された薄膜
層８４に照射する。ここで、薄膜層８４が複屈折性を持
つ場合には、直線偏光をなす違いに直角な振動方向を有
する２つの光波の間に位相差が生じ、楕円偏光となって
出射される。

【０００３】この出射光を回転機構８５を持つ検光子８
６を介して検出器８７に導いてその光量を測定する。こ
の場合において、回転機構８５により検光子８６を回転
させながら光量を測定し、光量が最大になる検光子８６
の角度θ１を測定する。また、予め、薄膜層８４を有す
る透光性のある基板８３を取り除いた状態で、同様にし
て光量が最大になる検光子８６の角度θ０を測定してお
く。この時、数１で表される両者の角度の差Δが位相差
を示している。

【０００４】

【数１】

【０００５】複屈折性を有する薄膜層８４を有する透光
性のある基板８３を回転させて上記の位相差Δを測定す
ると、位相差Δが最大になるところと、殆ど位相差がな
くなるところがある。複屈折性を有する物質は光学的異
方性を有している。そして、上記の位相差が最大になる
点は直線偏光の振動方向と光学的異方性の方向とが一致
している場合であり、この時の屈折率を異常光線屈折率
ｎｅと称する。また、位相差が殆どなくなるところは直
線偏光の振動方向と光学的異方性の方向とが垂直になっ
ている場合であり、その時の屈折率を常光線屈折率ｎ０
と称する。

【０００６】複屈折性Δｎは数２で表される。

【０００７】

【数２】

【０００８】上記の位相差が最大になるときの位相差を
Δｍａｘで表すと、これらの関係は数３で表される。

【０００９】

【数３】

【００１０】ここで、ｄは薄膜層８４の膜厚、λは光の
波長をそれぞれ示している。したがって、位相差が最大
になるときの位相差Δｍａｘを得、数３の演算を行うこ
とにより複屈折性Δｎを得ることができると思われる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、分光エリプソ
メータを用いて薄膜層８４の複屈折性Δｎを測定する場
合には、直線偏光光が薄膜層８４のみならず透光性のあ
る基板８３をも透過するのであるから、透光性のある基
板８３の複屈折性の影響をも受けてしまい、薄膜層８４
自体の複屈折性Δｎを正確に測定することが困難になっ
てしまう。すなわち、透光性のある基板８３の複屈折性
が薄膜層８４の複屈折性と比較して僅かであっても、薄
膜層８４の厚みが数千オングストローム程度またはこれ
以下であるのに対して透光性のある基板８３の厚みが通
常１ｍｍ以上であり、透光性のある基板８３の厚みが薄
膜層８４の厚みの数千倍になるのであるから、その寄与
が測定値であるΔｍａｘに重畳され、薄膜層８４単体の
複屈折性Δｎを正確に測定することが困難になってしま
うのである。

【００１２】また、位相差が最大になるときの位相差Δ
ｍａｘを得た後に数３の演算を行って複屈折性Δｎを得
るのであるから、所要時間がかなり長くなってしまう。

【００１３】

【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされ
たものであり、透光性のある基板の光学的異方性の影響
を大幅に低減し、複屈折性を持つ薄膜層の光学定数の測
定を高速かつ高精度に行うことができ、しかも、必要に
応じて透光性のある基板の光学定数の異方性を高速かつ
高精度に測定することができる光学定数測定方法および
その装置を提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１の光学定数測定
方法は、１／２波長板を通して、透光性のある基板表面
に収束し、または発散する直線偏光光を照射し、該直線
偏光光の前記透光性のある基板における反射光の前記直
線偏光光の偏光の方向と一定の関係を有する方向の光ビ
ーム内強度分布を、１／２波長板およびアレイ検出器を
回転させ、かつ後者の回転速度を前者の回転速度の２倍
に設定することによって、前記偏光の方向が透光性のあ
る基板表面内の方向に対して相対的に変化する複数の条
件下において検出し、該複数の条件下において検出され
た光強度分布に基づいて前記透光性のある基板の屈折率
もしくは消衰係数の異方性または前記透光性のある基板
表面に形成された薄膜の屈折率もしくは消衰係数の異方
性を測定する方法である。

【００１５】請求項２の光学定数測定装置は、１／２波
長板を通して、透光性のある基板表面に収束し、または
発散する直線偏光光を照射する照射光学系と、前記直線
偏光光の前記透光性のある基板における反射光をアレイ
検出器に導く受光光学系と、該受光光学系により導かれ
た該反射光の前記直線偏光光の偏光の方向と一定の関係
を有する方向の光ビーム内強度分布を検出するアレイ検
出器と、１／２波長板およびアレイ検出器を回転させ、
かつ後者の回転速度を前者の回転速度の２倍に設定する
ことによって、前記直線偏光光の偏光の方向と前記透光
性のある基板表面内の方向とを相対的に変化させる方向
変更手段と、検出された該光ビーム内強度分布に基づい
て前記透光性のある基板の屈折率もしくは消衰係数の異
方性または前記透光性のある基板表面に形成された薄膜
の屈折率もしくは消衰係数の異方性を算出する光学定数
算出手段とを備えてなるものである。

【００１６】請求項３の光学定数測定装置は、前記方向
変更手段として、前記直線偏光光の偏光の方向と前記光
強度分布センサが検出する光強度分布の方向とを同期さ
せながら回転させるものを採用している。請求項４の光
学定数測定装置は、前記方向変更手段として、前記透光
性のある基板を基板面の法線に関して回転させるものを
採用している。

【００１７】ただし、「基板における反射光」とは、基
板の表面、裏面における反射光および基板の内部での散
乱光を含む概念として使用されている。また、「偏光の
方向と一定の関係を有する方向」とは、偏波面と特定の
角度を持つ方向を示す概念として使用されており、０°
近傍、９０°近傍ではＰ偏波またはＳ偏波の純粋な偏波
成分を測定できるので、０°近傍または９０°近傍であ
ることが好ましい。さらに、「偏光の方向が基板表面内
の方向に対して相対的に変化する複数の条件」とは、基
板平面内に仮定した特定の方向と偏波面の方向とが相対
的に変化する（特定の方向と偏波面とのなす角度が変化
する）複数の条件を示す概念として使用されている。

【００１８】

【作用】請求項１の光学定数測定方法であれば、１／２
波長板を通して、透光性のある基板表面に収束し、また
は発散する直線偏光光を照射し、該直線偏光光の前記透
光性のある基板における反射光の前記直線偏光光の偏光
の方向と一定の関係を有する方向の光ビーム内強度分布
を、１／２波長板およびアレイ検出器を回転させ、かつ
後者の回転速度を前者の回転速度の２倍に設定すること
によって、前記偏光の方向が透光性のある基板表面内の
方向に対して相対的に変化する複数の条件下において検
出し、該複数の条件下において検出された光強度分布に
基づいて前記透光性のある基板の屈折率もしくは消衰係
数の異方性または前記透光性のある基板表面に形成され
た薄膜の屈折率もしくは消衰係数の異方性を測定するの
であるから、薄膜の屈折率もしくは消衰係数の異方性を
測定する場合には、透光性のある基板を透過した光を用
いて光学定数の異方性を測定する従来方法と異なり、透
光性のある基板の光学的異方性の影響を大幅に低減して
高精度の測定を達成することができる。また、位相差が
最大になるときの位相差を特別に求めることなく、複数
の条件下において検出された光強度分布に基づいて屈折
率もしくは消衰係数の異方性を高速かつ高精度に得るこ
とができる。逆に、透光性のある基板の屈折率もしくは
消衰係数の異方性を測定する場合には、位相差が最大に
なるときの位相差を特別に求めることなく、複数の条件
下において検出された光強度分布に基づいて屈折率もし
くは消衰係数の異方性を高速かつ高精度に得ることがで
きる。

【００１９】請求項２の光学定数測定装置であれば、照
射光学系により、１／２波長板を通して、透光性のある
基板表面に収束し、または発散する直線偏光光を照射
し、受光光学系により前記直線偏光光の前記透光性のあ
る基板における反射光をアレイ検出器に導くので、光強
度分布センサにより反射光の前記直線偏光光の偏光の方
向と一定の関係を有する方向の光ビーム内強度分布を検
出することができる。そして、方向変更手段により１／
２波長板およびアレイ検出器を回転させ、かつ後者の回
転速度を前者の回転速度の２倍に設定することによっ
て、直線偏光光の偏光の方向と前記透光性のある基板表
面内の方向とを相対的に変化させて上記一連の処理を行
わせ、各方向に対応して検出された該光ビーム内強度分
布に基づいて光学定数算出手段により前記透光性のある
基板の屈折率もしくは消衰係数の異方性または前記透光
性のある基板表面に形成された薄膜の屈折率もしくは消
衰係数の異方性を算出することができる。したがって、
薄膜の屈折率もしくは消衰係数の異方性を測定する場合
には、透光性のある基板を透過した光を用いて光学定数
の異方性を測定する従来方法と異なり、透光性のある基
板の光学的異方性の影響を大幅に低減して高精度の測定
を達成することができる。また、位相差が最大になると
きの位相差を特別に求めることなく、複数の条件下にお
いて検出された光強度分布に基づいて屈折率もしくは消
衰係数の異方性を高速かつ高精度に得ることができる。
逆に、透光性のある基板の屈折率もしくは消衰係数の異
方性を測定する場合には、位相差が最大になるときの位
相差を特別に求めることなく、複数の条件下において検
出された光強度分布に基づいて屈折率もしくは消衰係数
の異方性を高速かつ高精度に得ることができる。

【００２０】請求項３の光学定数測定装置であれば、前
記方向変更手段として、前記直線偏光光の偏光の方向と
前記光強度分布センサが検出する光強度分布の方向とを
同期させながら回転させるものを採用しているので、光
強度分布センサとして一次元的な光強度の分布を測定で
きるものを採用することができ、しかも方向を変更する
ための機構を小形化できる。ただし、光強度分布センサ
として二次元的な光強度の分布を測定できるものを採用
してもよいことはもちろんである。

【００２１】請求項４の光学定数測定装置であれば、前
記方向変更手段として、前記透光性のある基板を基板面
の法線に関して回転させるものを採用しているので、透
光性のある基板の方向のみを変更すればよく、方向を変
更するための機構を簡単化できる。

【００２２】

【実施例】以下、実施例を示す添付図面によってこの発
明を詳細に説明する。図１はこの発明の光学定数測定装
置の一実施例を示す概略図である。この光学定数測定装
置は、レーザ光源１から出射した、単一波長で直線偏光
を有する光ビームを回転機構２ｂを有する１／２波長板
２ａを通してハーフミラー２に導くことにより方向を変
更し、レンズ３により集光して透光性のある基板４の表
面（光を入射させる側の面）に形成された薄膜層４ａに
照射している。ここで、光ビームの光軸は透光性のある
基板４に対してほぼ直角に設定されている。また、透光
性のある基板４上には広い入射角を有する光ビームが形
成されている。

【００２３】この光ビームは、透光性のある基板４の表
面および薄膜層４ａにおいて反射され、ハーフミラー２
を通して回転機構５ａを有するアレイ検出器５（光強度
分布センサに相当する）に入射する。ここで、アレイ検
出器５により検出される反射ビームの光量は、透光性の
ある基板４の光学定数、薄膜層４ａの光学定数および入
射角度によって決定される値である。したがって、アレ
イ検出器５により検出される値をコンピュータ６に供給
して所定の計算を行わせることにより、薄膜層４ａの光
学定数などを決定することができる。

【００２４】また、アレイ検出器５は、一次元または二
次元のＣＣＤなどからなるアレイセンサまたはイメージ
インテンシファイアなど、少なくとも一次元的な光強度
の分布を測定できる光のセンサを含み、また、小さな単
一の受光部位が時間的にビーム内を移動するものをも含
む。さらに詳細に説明する。

【００２５】先ず、図１の装置から１／２波長板２ａお
よび回転機構２ｂ，５ａを省略した概略図（図２参照）
を参照しながら、薄膜の光学定数を求める原理を説明す
る。光ビームの中央付近から出た光線２０Ａはハーフミ
ラー２により曲げられて光線２０Ｂになり、レンズ３を
経て光線２０Ｃになり、基板４および薄膜４ａにほぼ垂
直に入射する。この光線２０Ｃは基板４および薄膜４ａ
により反射されて光線２０Ｄになり、レンズ３およびハ
ーフミラー２を経て光線２０Ｅになり、アレイ検出器５
上のセンサ素子５０に入射する。また、光ビームの上部
から出た光線２ｎＡはハーフミラー２により曲げられて
光線２ｎＢになり、レンズ３を経て光線２ｎＣになり、
基板４および薄膜４ａに角度θで入射する。この光線２
ｎＣは基板４および薄膜４ａにより角度θで反射されて
光線２ｎＤになり、レンズ３およびハーフミラー２を経
て光線２ｎＥになり、アレイ検出器５上のセンサ素子５
ｎに入射する。このようにして、アレイ検出器５の各セ
ンサ素子には、それぞれに異なる角度の反射光量が入射
される。

【００２６】これらの各センサ素子による測定値は、例
えば、シリコン基板上に形成された膜厚５，０００オン
グストローム、１０，０００オグストローム、２０，０
００オングストロームの酸化膜の場合には、図３、図４
に示すような曲線になる。なお、図３、図４において実
線が５，０００オングストロームの場合を、破線が１
０，０００オングストロームの場合を、一点鎖線が２
０，０００オングストロームの場合をそれぞれ示してい
る。ここで、入射光ビームの直線偏光の振動方向に対し
て平行な方向に観測されるＰ偏光成分と、垂直方向に観
測されるＳ偏光成分とに分離して測定することができ、
図３がＳ偏光、図４がＰ偏光の場合をそれぞれ示してい
る。ここでは、膜厚が変わった場合について説明した
が、屈折率が変わった場合にもこれらの曲線は異なった
ものになる。

【００２７】また、図５に示すように、透光性のある基
板４上に形成された薄膜層４ａに光が入射したことに応
答して光が多重反射されているような数学モデルを考え
ると、その反射率Ｒは数４で表される。

【００２８】

【数４】

【００２９】ここで、ｒ１は空気層と薄膜層４ａとの境
界での反射率、ｒ２は薄膜層４ａと基板４との境界での
反射率、ｔは薄膜層４ａの膜厚をそれぞれ示し、ｋは数
５で与えられる。

【００３０】

【数５】

【００３１】ここで、λは光ビームの波長、ｎ１は薄膜
層４ａの屈折率をそれぞれ示している。上記反射率ｒ
１、ｒ２はＳ偏光、Ｐ偏光に対する値が異なり、それぞ
れ数６から数９で表される。ただし、添字Ｓ，ＰがＳ偏
光に対する値、Ｐ偏光に対する値であることをそれぞれ
示している。

【００３２】

【数６】

【００３３】

【数７】

【００３４】

【数８】

【００３５】

【数９】

【００３６】ここで、ｎ０は空気の屈折率、ｎ２は基板
の屈折率、θ１は空気層から薄膜層４ａに入射した光ビ
ームの屈折角、θ２は薄膜層４ａから基板４に入射した
光ビームの屈折角をそれぞれ示している。このように連
続した角度に応じて測定された反射率の曲線は膜厚など
の光学定数が変わるとその形を変えることになるが、そ
のことを利用して、測定された角度に対する曲線から、
薄膜層４ａの光学定数を逆に求めることができる。

【００３７】図６はコンピュータ６において、アレイ検
出器５の各センサ素子の出力信号から得られる、角度に
応じた反射率の計算値を用いて薄膜層４ａの膜厚を求め
るための処理を説明するフローチャートである。ステッ
プＳＰ１において、アレイ検出器５の各センサ素子によ
り測定した反射光のＳ偏光成分およびＰ偏光成分、およ
びレーザ光源１からの出射光強度に基づいて反射率を算
出し、ステップＳＰ２において、角度に応じた反射率の
計算値および数５から数９を用いて数４を解く。この処
理を行うことにより、個々のセンサ素子の出力信号に基
づいて得られる反射率の計算値に対してそれぞれ膜厚の
解が得られ、一群の解が得られることになる。次いで、
ステップＳＰ３において、統計解析処理を行って、これ
ら一群の解の中から最も確からしい解を選定する。そし
て、ステップＳＰ４において、解の精度を向上させるた
めに、材料の吸収（薄膜層における光の吸収）、アレイ
検出器５の寸法などの寄与を補正した数４を用いて、最
小二乗法による数値解法によって解を求める。ただし、
この計算は難解であるから、数値解法を容易にするため
に、ステップＳＰ３による解による制限の下で実行す
る。このようにして、５０オングストロームから５０，
０００オングストロームまでの膜厚範囲において、２０
オングストローム以下の正確さで測定が可能である。そ
して、これらの統計解析、および最小二乗法による数値
解法を用いて計算を行うためには、測定値の数が１０以
上であればよい。ただし、たとえば、膜厚の厚い薄膜を
測定対象とする場合は、反射率の曲線の変化の周期が短
い（図２または図３の曲線の変化の上下の極値の出現回
数が多い）ため、測定値の数を多くすることが好まし
い。たとえば、膜厚が５０，０００オングストローム程
度の薄膜の光学定数を測定する場合は、測定値の数は１
５個以上用いるのが好ましく、さらに膜厚が１００，０
００オングストローム程度の薄膜の測定を行う場合は３
０個以上を用いるのが好ましい。また、測定値は基板の
裏側からの反射光の影響のない範囲でアレイ検出器５の
広い範囲にまんべんなく分布したセンサ素子により得ら
れたものを用いるのが好ましい場合が多い。

【００３８】また、この光学定数測定方法によれば、薄
膜層４ａの膜厚とともに、薄膜層４ａまたは基板４の屈
折率を計算することもできる。図７はコンピュータ６に
おいて、アレイ検出器５の各センサ素子の出力信号から
得られる、角度に応じた反射率の計算値を用いて薄膜層
４ａまたは基板４の屈折率を求めるための処理を説明す
るフローチャートである。

【００３９】ステップＳＰ１において、アレイ検出器５
の各センサ素子により測定した反射光のＳ偏光成分およ
びＰ偏光成分、およびレーザ光源１からの出射光強度に
基づいて反射率を算出し、ステップＳＰ２において、角
度に応じた反射率の計算値、薄膜層４ａの膜厚の推定値
および数５から数９を用いて数４を解く。この処理を行
うことにより屈折率の近似解を得る。そして、ステップ
ＳＰ３において、角度に応じた反射率の計算値、屈折率
の近似解および数５から数９を用いて数４を解く。この
処理を行うことにより、個々のセンサ素子の出力信号に
基づいて得られる反射率の計算値に対してそれぞれ膜厚
の解が得られ、一群の解が得られることになる。次い
で、ステップＳＰ４において、統計解析処理を行って、
これら一群の解の中から最も確からしい解を選定する。
そして、ステップＳＰ５において、解の精度を向上させ
るために、材料の吸収（薄膜層における光の吸収）、ア
レイ検出器の寸法などの寄与を補正した数４を用いて、
最小二乗法による数値解法によって解を求める。ただ
し、この計算は難解であるから、数値解法を容易にする
ために、ステップＳＰ４による解による制限の下で実行
する。

【００４０】このようにして薄膜層４ａの光学定数の測
定を行うが、複屈折性を有する薄膜層４ａの屈折率を測
定する場合、図８に示すように複屈折性を有する薄膜層
４ａは１方向に光学的異方性を有している。この光学的
異方性を有する薄膜層４ａに直線偏光を持つ光ビームを
当てて屈折率を測定すると、光学的異方性の方向と直線
偏光の方向との間でなす角度θ´に依存した測定値が得
られる。光学的異方性の方向と直線偏光の方向との間で
なす角度をθ´とすると、そのときの屈折率ｎ（θ´）
は数１０で与えられる（図９参照）。

【００４１】

【数１０】

【００４２】数１０を図で示すと図１０に示すとおりに
なり、この曲線の最大ピーク値が異常光線屈折率ｎｅを
示し、最小ピーク値が常光線屈折率ｎ０を示す。複屈折
性Δｎは数２を用いてｎｅ，ｎ０から求められる。この
ように、本願発明においては、複屈折性Δｎを、測定さ
れた屈折率から直接求めることができるため、高速な測
定および高精度な測定を達成することができる。また、
薄膜層４ａの光学定数の測定を行うに当って、従来装置
のように透光性のある基板４を透過する光を採用するの
ではなく、反射光を採用しているのであるから、透光性
のある基板４が複屈折性を有していても、透光性のある
基板４による影響を大幅に低減することができ、この面
からも高精度な測定を達成することができる。

【００４３】具体的には、液晶パネルに用いられる配向
膜の測定を行う場合、配向膜の複屈折性Δｎは０．０１
程度であり、屈折率測定としては０．００１以下の精度
が必要になるが、本願発明による屈折率の測定では０．
０００５の測定精度を実現できるので、配向膜の複屈折
性を高精度に測定することができる。図１に示す光学定
数測定装置では、複屈折性を有する薄膜層４ａの屈折率
の角度依存性を測定するために、回転機構２ｂにより１
／２波長板２ａを回転させるとともに、回転機構５ａに
よりアレイ検出器５を回転させ、光学的異方性の方向と
直線偏光の方向との間に任意の角度の設定を可能として
いる。ただし、この場合に、アレイ検出器５の回転角速
度を１／２波長板２ａの回転角速度の２倍に設定し、両
者を互いに同期して回転させている。

【００４４】ただし、回転機構２ｂ，５ａを省略し、代
わりに透光性のある基板４を回転させる回転機構（図示
せず）を採用することによっても、光学的異方性の方向
と直線偏光の方向との間に任意の角度の設定を可能とす
ることができる。また、回転機構５ａを省略し、代わり
にアレイ検出器５として二次元的な光強度の分布を測定
できるものを採用し、回転機構２ｂによる１／２波長板
２ａの回転に対応させて、一次元的な光強度の分布を測
定可能なアレイ検出器を１／２波長板の回転角速度の２
倍の回転角速度で回転させた場合に相当するセンサ素子
を選択して信号を取り出すようにしてもよい。この場合
には、アレイ検出器５を回転させる必要がないので、測
定精度をより高めることができる。

【００４５】さらに、直線偏光の方向を変更するための
１／２波長板２ａに代えて光弾性変調素子を用いること
が可能である。この場合には、直線偏光の方向を変更す
るために機械的回転機構を用いる必要がなく、代わりに
同等の動作を行わせるべく電気信号を供給すればよいの
であるから、機械的な動作に伴なう誤差を皆無にするこ
とができ、測定精度をより高めることができる。

【００４６】なお、以上には、レンズ３による入射光ビ
ームの集光位置が薄膜層の表面である場合について説明
したが、上記集光位置が薄膜層よりも手前であり、入射
光ビームが一旦集光した後に発散する状態で薄膜層に照
射される場合であっても、同様に光学定数の測定を行う
ことができる。また、以上には透光性のある基板４上に
形成された薄膜４ａの光学定数の異方性を測定する場合
についてのみ説明したが、同様にして透光性のある基板
４の光学定数の異方性を測定することができる。ただ
し、この場合には、透光性のある基板４上に薄膜層４ａ
が形成されていてもよく、薄膜層４ａが形成されていな
くてもよい。

【００４７】さらに、透光性のある基板４の表面からの
反射光がアレイ検出器５の受光面に照射される範囲が、
透光性のある基板４の裏面からの反射光がアレイ検出器
５の受光面に照射される範囲よりも大きくなるように
（例えば、前者の面積が後者の面積の２倍以上になるよ
うに）透光性のある基板４、レンズ３、アレイ検出器５
の相対位置を設定し、透光性のある基板４の裏面からの
反射光の影響を受けず、透光性のある基板４の表面から
の反射光の影響のみを受けるセンサ素子からの出力信号
だけを選択し、選択された信号に基づいて複屈折率を算
出することが好ましく、測定精度を一層高めることがで
きる。

【００４８】

【発明の効果】請求項１の発明は、位相差が最大になる
ときの位相差を特別に求めることなく、複数の条件下に
おいて検出された光強度分布に基づいて光学定数の異方
性を高速かつ高精度に得ることができるという特有の効
果を奏する。請求項２の発明は、位相差が最大になると
きの位相差を特別に求めることなく、複数の条件下にお
いて検出された光強度分布に基づいて光学定数の異方性
を高速かつ高精度に得ることができるという特有の効果
を奏する。

【００４９】請求項３の発明は、方向を変更するための
機構を小形化できるという特有の効果を奏する。請求項
４の発明は、方向を変更するための機構を簡単化できる
という特有の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の光学定数測定装置の一実施例を概略
的に示す図である。

【図２】この発明の光学定数測定の原理を説明する図で
ある。

【図３】Ｓ偏光成分の反射率の入射角に対する変化特性
の例を示す図である。

【図４】Ｐ偏光成分の反射率の入射角に対する変化特性
の例を示す図である。

【図５】入射光を多重反射する数学モデルを概略的に示
す図である。

【図６】コンピュータにおいて、アレイ検出器の各セン
サ素子の出力信号から得られる、角度に応じた反射率の
計算値を用いて薄膜層の膜厚を求めるための処理を説明
するフローチャートである。

【図７】コンピュータにおいて、アレイ検出器の各セン
サ素子の出力信号から得られる、角度に応じた反射率の
計算値を用いて薄膜層または基板の屈折率を求めるため
の処理を説明するフローチャートである。

【図８】光学的異方性の方向に対する直線偏光の方向を
概略的に示す図である。

【図９】屈折率の角度依存性を概略的に示す図である。

【図１０】屈折率の角度依存性を示す図である。

【図１１】分光エリプソメータの構成を概略的に示す図
である。

【符号の説明】

２ｂ，５ａ回転機構３レンズ４透光性のある基板４ａ薄膜層５アレイ検出器６コンピュータ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】１／２波長板（２ａ）を通して、透光性
のある基板（４）表面に収束し、または発散する直線偏
光光を照射し、該直線偏光光の前記透光性のある基板
（４）における反射光の前記直線偏光光の偏光の方向と
一定の関係を有する方向の光ビーム内強度分布を、１／
２波長板（２ａ）およびアレイ検出器（５）を回転さ
せ、かつ後者の回転速度を前者の回転速度の２倍に設定
することによって、前記偏光の方向が透光性のある基板
表面内の方向に対して相対的に変化する複数の条件下に
おいて検出し、該複数の条件下において検出された光強
度分布に基づいて前記透光性のある基板（４）の屈折率
もしくは消衰係数の異方性または前記透光性のある基板
（４）表面に形成された薄膜（４ａ）の屈折率もしくは
消衰係数の異方性を測定することを特徴とする光学定数
測定方法。
【請求項２】１／２波長板（２ａ）を通して、透光性
のある基板（４）表面に収束し、または発散する直線偏
光光を照射する照射光学系（３）と、前記直線偏光光の
前記透光性のある基板（４）における反射光をアレイ検
出器（５）に導く受光光学系（３）と、該受光光学系
（３）により導かれた該反射光の前記直線偏光光の偏光
の方向と一定の関係を有する方向の光ビーム内強度分布
を検出するアレイ検出器（５）と、１／２波長板（２
ａ）およびアレイ検出器（５）を回転させ、かつ後者の
回転速度を前者の回転速度の２倍に設定することによっ
て、前記直線偏光光の偏光の方向と前記透光性のある基
板（４）表面内の方向とを相対的に変化させる方向変更
手段（２ｂ）（５ａ）と、検出された該光ビーム内強度
分布に基づいて前記透光性のある基板（４）の屈折率も
しくは消衰係数の異方性または前記透光性のある基板
（４）表面に形成された薄膜（４ａ）の屈折率もしくは
消衰係数の異方性を算出する光学定数算出手段（６）と
を備えることを特徴とする光学定数測定装置。
【請求項３】前記方向変更手段（２ｂ）（５ａ）は、
前記直線偏光光の偏光の方向と前記光強度分布センサ
（５）が検出する光強度分布の方向とを同期させながら
回転させるものである請求項２に記載の光学定数測定装
置。
【請求項４】前記方向変更手段は、前記透光性のある
基板（４）を基板面の法線に関して回転させるものであ
る請求項２に記載の光学定数測定装置。