JP3782481B2 - 変調分光偏光解析装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、変調分光偏光解析装置（ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｅｒ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
偏光解析法 （ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ）は、鏡面反射性又は殆ど鏡面反射性の表面を有する試料の光学的特徴を検出する非破壊的な測定技術である。
偏光解析装置は、限局された場所で実施することができ、したがって、薄膜成長（ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ）機構及び界面形成 （ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）機構の研究並びにこれらの薄膜及び界面の発達プロセスの制御に使用することができる。偏光解析法は、例えば、半導体製造を研究及び制御するのに使用される。
【０００３】
複数の偏光解析測定法は、固定又は可変波長で測定することができる（分光偏光解析法）。それらは、例えば、結び付けることができるレフレクタンス（ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ）、変調レフレクタンス（ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ）（電界反射（ｅｌｅｃｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ）、光レフレクタンス（ｐｈｏｔｏｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ））異方性のレフレクタンス（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ）（分光微分レフレクタンス（ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ））、吸収及び透過測定を包含する鏡面反射性の測定技術のグループの部分を形成する。
偏光解析測定法は、試料の表面に光ビームを照射し、反射又は透過した光ビームｒの偏光状態を入射ビームｉの偏光状態と比較することにより実施される。偏光ベクトルＥは、一般に、その射影（ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｓ）Ｅｓ及びＥｐにより表され、夫々、入射面に対し垂直及び平行なＥｐ及びＥｓは複雑な振幅である。
【０００４】
偏光解析法の分野において、調べられる表面により引き起こされる偏光状態の変化を表示する比（Ｅｐ／Ｅｓ）^ｒ／（Ｅｐ／Ｅｓ）^ｉは、一般に、次の形式：
ｔｇΨ・ｅｘｐ（ｉΔ）＝（Ｅｐ／Ｅｓ）^ｒ／（Ｅｐ／Ｅｓ）^ｉ
に表される。
したがって、偏光解析法の対象は、与えられた表面についてのパラメーターΨ及びΔを測定することである。
【０００５】
偏光変調周波数のような測定を実施するについての、同様にまた使用される装置及び偏光解析装置を実施するについての波長の範囲及び様々な条件は、調べられる材料又は現象から決定される。
フランス特許ＦＲ−Ａ−２，６０２，３３８号は、位相変調、フーリエ変換、赤外偏光解析装置を記述している。
物理学者達は、外部の励起（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）の存在又は不存在において実施される偏光解析測定及び外部の励起の存在又は不存在において得られる測定値の比較による薄膜及び積層膜又は界面の特徴付けの重大さを最近発見した。
この励起は、例えば、熱的、光学的、電気的又は磁気的なものとすることができる。
【０００６】
この課題をより詳細とするために、ジェ．ティエイチ．ツェトラー（Ｊ．Ｔｈ．Ｚｅｔｔｌｅｒ）の論文『変調偏光解析測定及びの多量子ウエルの場依存性の誘電性機能のトランスファーマトリックス計算（Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｅｒ−ｍａｔｒｉｘ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｉｅｌｄ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）』（ゼ アメリカン フィズィカル ソサイテイ−フィズィカル レヴュー（Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｏｃｉｅｔｙ−Ｐｈｙｓ．ＲｅＶ．）Ｂ４６，１５９５５−１９９２）及びザ ジャーナル オブ ヴァキュアム サイエンス テクノロジイ（ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａ １１（４），−Ｊｕｌｙ／Ａｕｇｕｓｔ１９９３，Ｙｉ−Ｍｉｎｇ Ｘｉｏｎｇから抜粋の論文『ＧａＡＳ（１００）の表面フェルミレベルの光偏光解析法の測定』（Ｐｈｏｔｏｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｅｒｍｉ Ｌｅｖｅｌ ｉｎ ＧａＡｓ（１００）を参照されたい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の対象は、励起の存在又は不存在において、試料の偏光解析パラメーターを測定するための分光偏光解析装置である。
さらに本発明の対象は、如何なる一般に知られている装置より高い測定精度を与えるような偏光解析装置を提案することである。
なおまた、外部の励起の存在又は不存在において測定される偏光解析パラメーターは、周期的な励起が適用されるときの周波数によって決まる。
さらに、本発明の対象は、励起周波数の機能として、試料の偏光解析パラメーターの測定を可能にすることである。
【０００８】
これを達成するために、本発明は、電子的処理手段、供給偏光解析パラメーター及び試料を励起するための外部手段を装備する分光偏光解析装置を具備する、試料を測定する周波数ω_ｍで変調された分光偏光解析装置に関する。
周波数ω_ｍにおける変調は、分光偏光解析装置において通常実施される入射ビーム又は反射ビームの変調である。
本発明によると、分光偏光解析装置は、位相変調されており、試料を励起する手段は、周波数ω_ｅにおいて周期的な交互の励起を生じ、その参照（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）は電子的処理手段に送られる。その測定値は、夫々、試料の励起の存在及び不存在における、外部励起周波数の関数（ｆｕｎｃｔｉｏｎ）としての試料の偏光解析パラメーター値を含んでいる。
【０００９】
光検出器からの電子信号が、励起有意帯域、非励起有意帯域、両有意帯域を分ける移行帯域を備える電子的処理手段により処理されるときに、測定精度は高められる。前記移行帯域は影響を与えないようにされており、両有意帯域は、夫々、外部の励起の存在及び不存在における、外部励起周波数の相関関係要素としての試料の偏光解析パラメーターを生じるのに使用される。都合のよいことに、電子的処理手段の実施は、励起手段の状態を試験する。
【００１０】
できれば、励起周波数ω_ｅは、変調周波数ω_ｍに比して低く、また電子的処理手段は、外部励起に同期されるのが好ましく、また、光検出器の電気信号は、数Ｔの変調周期間で、励起信号の立ち上がりから出発する全数ｔの変調周期の後に、電子的処理手段により獲得され、励起の存在中に偏光解析パラメーターを生じ、次いで、数Ｔの変調周期で、励起信号の立下がりから出発する数ｔの変調周期の後に、励起の不存在中に偏光解析パラメーターを生じ、該Ｔの値は、
（［ω_ｍ／（Ωｅ×２）］−２ｔ）
であり、ここで、式［ω_ｍ／（Ωｅ×２）］は、ω_ｍ／（Ωｅ×２）の整数部分を示す。
【００１１】
この明細書を通して、角括弧［］は、それらを含む式の整数部分を示すのに使用される。有利なことに、検査は、励起信号のレベルの試験により実施され、前記立上がり及び立下がりの夫々の領域において実施される。偏光解析装置の変調周波数ω_ｍと励起周波数Ωｅの間の周波数ω_ｃにおいて、分光偏光解析装置の光ビームを切り替えることによって形成される第３段変調の導入は、測定されるパラメーターの精度を改良する手段を提供する。切り替え周波数の参照（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）は、電子的処理手段に送られる。
【００１２】
試料の励起は、例えば、発光（ｌｕｍｉｎｏｕｓ）、電気、磁気、熱等の種々の物理的現象により得ることができる。
約５０ｋＨの変調周波数及び約５ｋＨの励起周波数を用いて、偏光解析装置の光ビームを切り替えることなく、良好な精度が得られる。
【００１３】
【実施例】
本発明は、添付の図面を参照して詳細に説明される。
図１は、二段変調（ｄｏｕｂｌｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を有する本発明の偏光解析装置の概略の一覧図である。
図２は、図１の偏光解析装置の励起信号と比較される光検出器により与えられる電気信号のタイミングダイアグラムである。
図３は、三段変調を有する本発明の偏光解析装置の概略の一覧図である。
図４は、図１の偏光解析装置の励起信号及び切り替え信号と比較される光検出器により与えられる電気信号のタイミングダイアグラムである。
図１及び３並びに図２及び４において、共通の要素には、同一の参照番号が付与されている。
【００１４】
光源１は、光学システム４により試料３の方に向けられている光ビーム２を放射する。光学システム４は、できる限り光ファイバー５により光源１に連結されている。
光ビーム２は、偏波器７の次に置かれた光弾性変調器６により位相変調される。試料から反射された後、光ビーム８はアナライザー９により分解され、光学システム１０によって回収され、できる限り光学ファイバー１１を使用して、それをモノクロメーター１２に送る。モノクロメーターにより伝導された光流（ｆｌｕｘ）の強度が検出器１３により、電気信号に変換され、該電気信号は、特にコンピュータを備える電子的処理手段１４に供給される。
【００１５】
また、電子的処理手段１４は、回線１５を介して光弾性変調器から、周波数及び位相参照を受け取る。
光源１は、試料３の偏光解析パラメーターの測定を行うのに望まれる十分に考慮された波長領域における拡張されたスペクトル源 （ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｓｏｕｒｃｅ）である。
試料３は、周波数Ωｅにおいて、切り替え装置（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）１７により効果が変調される外部エキサイター（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｅｘｃｉｔｅｒ）１６から外部の周期的励起を受け取る。切り替え装置１７の切り替えの位相及び周波数参照は、回線１８を介して電子的処理手段１４に送られる。
接続１９は、検出器１３を電子的処理手段１４に接続する。
【００１６】
図２及び図４に示されるように、外部励起信号 （ｅｘｔｅｒｎａｌ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ）３０は、周期Ｔｅ及び周波数Ωｅのパルスの形の周期的信号（ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｓｉｇｎａｌ）である。この信号は、周期Ｔｅの前半において、代わる代わるに値１をとり、次いで、この周期の他の半分において、値０をとるパルス形である。
光検出器１３により供給される電気的信号ｓは、光弾性変調器６の変調周波数ω_ｍにおいて変調され、その平均値は、試料３が、エキサイター１６から生じる外部励起を受けるか否かによつて決まるａ１及びａ２の二つの値をとる。変調周期Ｔｍは、そのｎ倍が励起周期Ｔｅである。ｎが整数であることを必要としないことは強調されるべきである。
【００１７】
検出器からの信号ｓは、励起有意帯域３１、非励起有意帯域３２及び一時的な帯域（ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｚｏｎｅ）３３，３４，３５に分類される。一方では、一時的な帯域３４の持続時間、並びに他方では３３及び３５の持続期間は、夫々２ｔＴ_ｍに等しく、ここで、ｔは、少なくとも１に等しい整数であり、外部励起の特質に依存する。有利なことには、それは２に等しい。回線１９を介して検出器１３により供給される信号についての、電子的処理手段１４により行われる処理は、一時的な期間３３乃至３５の間中の信号の値を影響を与えないように無力化すること、並びに特に励起期間３１及び非励起期間３２の期間中で、信号ｓの値を使用すること、並びに励起の存在及び不存在において、偏光解析パラメーターの値を得ることを可能にする。
【００１８】
これを達成するために、有意信号の獲得は、切り替え信号３０の立上がり３６又は立下がり３７からの起動（Starting）により同期される。これらの端からの起動により、期間Tｍの番号ｔの変調期間は影響を与えないように無力化され、次いで信号ｓの値は、番号Tの変調期間の間に得られる。その値は、
（［ωm／（Ωe×２）］−２ｔ）
である。得られたデータの妥当性を制御するために、試験が、切り替え信号３０の状態を確かめるのに使用される。最初の試験５１は、励起の存在における信号の獲得に続くｔの変調期間の間中に実施される。切り替え信号３０の値が励起の存在に相当する１として確認されたときに、それは実証される。
【００１９】
類似の方法で、第２の試験５２が、励起の不存在における信号の獲得に続くｔの変調期間中に実施される。切り替え信号３０の値が励起の不存在に相当する０として確認されたときに、それは実証される。
励起の存在及び不存在における、夫々の該信号の獲得の間中に得られる寄与率は、できる限り累積され、次いで、電子的処理手段により、もつと遅い段階（ｌａｔｅｒ ｓｔａｇｅ）で、従来どおり処理されて、励起の存在における偏光解析パラメーターΨ_１及びΔ_１並びに励起の不存在における偏光解析パラメーターΨ_２及びΔ_２を供給する。
【００２０】
実行された偏光解析装置が、本発明の好ましい実施態様に従って位相変調されるとき、パラメーターΨ及びΔは、受け取られた信号ｓを、フーリエ変換により、夫々、周波数ω_ｍにおいて、また周波数２ω_ｍにおいて、連続の三つの成分Ｓ_０、Ｓ_１及びＳ_２に分類することにより利用される。
連続成分Ｓ_０について得られた精度（ａｃｃｕｒａｃｙ）は、図３及び図４に示すように、第３変調を導入することにより改良される。
この目的のために、切り替え装置２０は、光弾性変調器と試料の間で、偏光解析装置の光ビーム２に挿入される。当然、大幅の修正なしに、この切り替え装置は、光源１と検出器１３の間の任意の位置に配置することができる。
【００２１】
この切り替えの参照は、電子的処理手段１４に回線２１を介して供給される。
したがって、この信号は、図４に示すように得られる。
エキサイタ１６により供給される外部励起信号は、３０により参照されており、既に前で説明したパルス形式である。
切り替えユニット２０により供給される切り替え信号も同様にパルス形式４０を有する。それは。期間Ｔｃを有しており、この期間の前半で値１を取り、その後半で値０を取る。
【００２２】
励起の存在における、電子的処理手段１４による検出器の信号の獲得は、励起信号３０の値が１であるときに、前記立上がり３６における同期後の切り替え信号４０の立上がり４１において同期される。前記立上がり４１からの起動により、番号ｔの変調期間は、影響を与えないように無力化され、次いで変調期間のTｍの番号に相当する期間の間に行われる獲得は、
（［ω_ｍ／（ω_ｅ×２）］−２ｔ）
に等しい。
【００２３】
同一の方法において、立上がり３７における同期後で、励起信号３０の値が０であるときに、励起の不存在における信号の有意値は、切り替え信号４０の立上がり４２からの起動により得られる。切り替え装置Tc及び外部励起Teの期間は、外部励起の各半分の期間が、切り替え装置Tcの少なくとも１期間を包含するようになっている。したがって、偏光解析装置のビーム上に配置された切り替え装置２０の少なくとも一つの期間Tcは、励起の各半分の期間中に発生する。
【００２４】
先の実施態様におけるように、試験５１及び５２は、励起の切り替え信号によって行われる。さらにまた、同様の試験５３及び５４は、偏光解析装置のビームの切り替え信号４０によって行われる。
励起信号の幾つかの期間の、そのような条件において獲得される総ての値は、集計することができ、また、求められた偏光解析装置のパラメーターを抽出するために処理することができる。
【００２５】
したがって、本発明の偏光解析装置は、従来は事実上測定を不可能としていた試料の偏光解析パラメーターのような得られる新しいパラメーターを、励起周波数の働きとして可能にする。さらに、この装置は、その測定が十分に知られているパラメーターを利用できる条件において、修正することなく使用することができる。励起の不存在において、分光偏光解析装置として作用し、したがって、試料の偏光解析パラメーターの測定を可能にする。
【００２６】
光弾性変調の不存在において、それはまた、レフレクタンス測定及び行われるべき変調されたレフレクタンス、エレクトロレフレクタンス、フォトレフレクタンス等の測定を可能にする。
本発明の多数の何れか一つの実施態様が予想され得る。特に、外部励起信号３０は、その期間の前半にゼロの値を取ることができ、また相補的な期間に値１を取ることができ、これは上に記載したそれとは反対になっている。残る一事例において、該期間の前半及び後半は同一でない期間とすることができる。
また、モノクロメーターは、適当な検出器と結合して、幾つかの波長について同時に分析が行われるのを可能にするスペクトルグラフで置き代えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】二段変調を有する本発明の偏光解析装置の概略の一覧図である。
【図２】図１の偏光解析装置の励起信号と比較される光検出器により与えられる電気信号のタイミングダイアグラムである。
【図３】三段変調を有する本発明の偏光解析装置の概略の一覧図である。
【図４】図１の偏光解析装置の励起信号及び切り替え信号と比較される光検出器により与えられる電気信号のタイミングダイアグラムである。
【符号の説明】
１ 光源
２、８ 光ビーム
３ 試料
４、１０ 光学システム
５、１１ 光ファイバー
６ 光弾性変調器
７ 偏波器
９ アナライザー
１２ モノクロメーター
１３ 検出器、光検出器
１４ 電子的処理手段
１５、１８、２１ 回線
１６ 外部エキサイター
１７ 切り替え装置
１９ 接続
３０ 外部励起信号、切り替え信号
３１ 励起有意帯域、励起期間
３２ 非励起有意帯域、非励起期間
３３、３４、３５ 一時的な帯域
３６、４１、４２ 正進行移行
３７ 負進行移行
４０ 切り替え信号
５１ 最初の試験
５２ 第２の試験
５３、５４ 試験
ｓ 信号
Ｔｍ、ｔ 変調期間
Ｔｃ 切り替え装置の期間
Ｔｅ 外部励起の期間
Ωｅ 周波数、励起周波数
ω_ｍ 変調周波数
ω_ｃ 励起周波数と変調周波数の間の周波数
Ψ、Ψ_１、Ψ_２、Δ、Δ_１、Δ_２偏光解析パラメーター

Claims (10)

1. 光検出器（１３）、試料励起用の外部手段（１６）、並びに偏光解析パラメーター提供及び電子的処理手段（１４）が装備されている分光偏光解析装置を具備し、分光偏光解析装置は、試料を測定する光ビームが位相変調されており、試料励起用の外部手段（１６）は、周期的に交互に値１又は値０を生じるパルス形の周波数Ωｅの励起信号を生じさせるものであり、その励起信号に基づく参照信号は、電子的処理手段に送られるものであり、光検出器（１３）の測定に基づく電気信号ｓは、電子的処理装置により処理されるものであり、前記電気信号ｓは、励起の有意帯域（３１）と、非励起の有意帯域（３２）と、該両有意帯域を分離する一時的な帯域（３３、３４、３５）とを包含しており、該信号の一時的帯域は、該両有意帯域（３１、３２）に対して影響を与えないようにされており、処理される信号の有意帯域（３１，３２）は、励起周波数Ωｅの働きとして、試料の外部励起の存在において試料の偏光解析パラメーターΨ _１ ，Δ _１ を生じさせ、また、試料の外部励起の不存在において試料の偏光解析パラメーターΨ _２ ，Δ _２ を生じさせるものであることを特徴とする周波数ω _ｍ で変調して試料を測定する変調分光偏光解析装置。
2. 電子的処理手段が励起手段の状態について試験を行うものであることを特徴とする請求項１に記載の変調分光偏光解析装置。
3. 励起周波数Ωｅが変調周波数ω_ｍより低いものであり、電子的処理手段が、該励起により同期するものであり、光検出器の電気信号は、全体数ｔの変調期間の後に、電子的処理手段により獲得され、数Ｔの変調期間で、励起信号の立上がりから起動して、励起の存在において偏光解析パラメーターを生じ、数ｔの変調期間後で、数Ｔの変調期間中に励起信号の立下がりから起動して、励起の不存在において偏光解析パラメーターを生じるものであり、Ｔの値は、
   （［ω_ｍ／（Ωｅ×２）］−２ｔ）
   であることを特徴とする請求項１又は２に記載の変調分光偏光解析装置。
4. 励起信号のレベルの試験が、立上がり及び立下がりの夫々の周辺において実行されることを特徴とする請求項３に記載の変調分光偏光解析装置。
5. 分光偏光解析装置は、光ビームを具備しており、前記光ビームは、偏光解析装置の変調周波数ω_ｍ及び励起周波数Ωｅの間の周波数ω_cで、切り替え装置（２０）により切り替えられ、この切り替え周波数の参照信号は電子的処理手段に送られることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の変調分光偏光解析装置。
6. 試料の励起が発光によることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の変調分光偏光解析装置。
7. 試料の励起が電気によることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の変調分光偏光解析装置。
8. 試料の励起が磁気によることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の変調分光偏光解析装置。
9. 偏光解析装置の変調周波数ω_ｍが５０ｋＨ台であり、励起周波数Ωｅが５ｋＨ台であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の変調分光偏光解析装置。
10. 偏光解析装置の変調周波数ω_ｍが５０ｋＨ台であり、励起周波数Ωが１ｋＨ台であり、切り替え周波数は５ｋＨ台であることを特徴とする請求項５乃至８の何れか一項に記載の変調分光偏光解析装置。

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