JP3866849B2 - Ellipsometer - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料に偏光を照射して透過光あるいは反射光の偏光状態を測定して試料の偏光特性を解析する偏光解析装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
偏光解析装置の一種であるエリプソメータは、ある偏光の光を試料に照射し、その透過光又は反射光の偏光状態からエリプソパラメータを求め、試料の偏光特性を解析する装置である。
電場ベクトルが入射面(入射光束と反射光束が通る面)に垂直な成分であるs波の反射率と、平行な成分であるp波の反射率の比 tanΨと位相差Δ(あるいはΨとΔ)をエリプソパラメータといい、エリプソパラメータを使って、膜厚の測定や、薄膜材料の物性の測定が可能となる(特開平5−133811号公報、特開平5−142141号公報参照)。
【0003】
また、ある偏光の光を試料に照射し、その透過光又は反射光の偏光状態からストークスパラメータを求めるストークスメータも知られている。
本明細書では、エリプソメータ、ストークスメータを総称して「偏光解析装置」という。
特に、パラメータの波長依存性を測定することができる分光偏光解析装置は、多層膜のような複雑な膜の解析に最適である。
【0004】
従来の偏光解析装置の構成を図6及び図7に示す。
図6は、試料透過型の偏光解析装置を示している。この試料透過型の偏光解析装置は、白色光源2の光を集光光学系3、回転偏光子4、回転可能な位相差板21を通して試料5に当て、試料5を透過した光を回転検光子14、集光光学系15を通して、光ファイバ8に入れている。光ファイバ8を透過した光は、分光器16に入り、検出器17によってそのスペクトルが検出される。検出されたスペクトル信号は、演算処理装置18に入力されここで偏光解析演算がなされる。
【0005】
図7は、試料反射型の偏光解析装置を示している。この試料反射型の偏光解析装置が試料透過型の偏光解析装置と違うところは、試料5を反射した光を測定していることであり、他は試料透過型の偏光解析装置と同様である。
なお、エリプソメータとして使用する場合は、回転偏光子4と試料5との間の位相差板21は必要でない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の偏光解析装置は、測定するときに偏光子や検光子を回転(半回転又はそれ以上)させる必要があり、その回転に一定以上の時間が必要である。したがって、高速測定が困難であり、特に試料が経時変化を起こす場合に解析ができなかった。また、偏光子や検光子を回転させる機構も必要となるので、構造が複雑になるとともに、光学素子の光軸の調整精度不足、光学素子の加工精度不足、光学素子の中心軸の直線性の不良などのために測定中に光軸が動く可能性もあり、測定精度を悪くする原因となっていた。
【0007】
そこで、短時間で測定でき、かつ、構造が簡単な偏光解析装置の実現が求められている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の偏光解析装置は、試料から異なった方向に広がる光を、それぞれ通過させる、3種以上の検光子を組み合わせた検光手段と、前記検光手段の3種以上の検光子をそれぞれ通過した光を、鏡で反射させて別々の焦点に集光させるための光束分離集光光学系と、前記別々の焦点に集光された複数光をそれぞれ分光する分光器と、複数のスペクトルを検出することのできる検出器と、偏光解析演算を行う演算処理部とを有するものである。
【0009】
前記の偏光解析演算は、装置定数CあるいはゲインファクターGを使用して行う。
前記の構成の偏光解析装置によれば、3種以上の検光子を組み合わせた検光手段を測定に使用するので、各検光子を通過した光の同時測定が行え、したがって測定時間が短くなり、回転部分も不要となる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明に係る試料透過型の分光偏光解析装置の構成を示している。
この試料透過型の分光偏光解析装置は、白色光源2の光を集光光学系3及び直線偏光子(以下単に「偏光子」という)4、回転可能な位相差板(以下単に「位相差板」という)20を通して試料5に当て、試料5を透過した光を複数(この例では4個)の直線検光子(以下単に「検光子」という)6a〜6dに通し、光束分離集光光学系7を通して、複数本(この例では4本)の光ファイバ8a〜8dに入れている。各光ファイバ8a〜8dを透過した光は、それぞれCCDなどの2次元分光器9に入り、2次元検出器10によってそれらのスペクトルが独立して検出される。検出されたスペクトル信号は、演算処理装置11に入力され、ここで偏光解析演算がなされる。
【0011】
なお、偏光子4は、ストークスメータとして測定及びキャリブレーションに使用するとき並びにエリプソメータとしてキャリブレーションに使用するときには回転するものが必要であるが、エリプソメータとして測定に使用するときは回転できない固定型のものでもよい。位相差板20は、ストークスメータとして測定及びキャリブレーションに使用するときに必要であって、エリプソメータとして測定及びキャリブレーションに使用するときは絶対的に必要なものではない(あってもよい)。また、位相差板20の位置は、偏光子4と検光子6a〜6dとの間にあれば、試料5の後においてもよい。
【0012】
前記白色光源2は、試料5の透過光のスペクトルを必要な範囲で測定できる波長の広がりを持つものであればよく、例えば、Xeランプなどの希ガスを使ったランプ、ハロゲンランプ、水銀ランプなどが使用できる。
前記集光光学系3は、レンズ又はミラーを使って構成した集光光学系のことである。
【0013】
検光子6a〜6dは、それぞれ偏光方向の異なった複数の検光子6a〜6dを組み合わせたものであり、図1の例では、正方形を4つに縦横分割するように配置している。このように配置したのは、検光子6a〜6dが図1に図示した光軸Dから離れる距離を、各検光子6a〜6dについて均一かつ最小にするためである。
【0014】
複数の検光子6a〜6dの偏光方向は、0°から180°までの任意の角度で重複しない角度であればよい(ここで180°以上はその角度から180°の整数倍を引いた角度とする)。例えば、任意の角度を基準としてそれぞれ0°、45°、90°、135°と、45°ずつずれていてもよい。
検光子6a〜6dの数は4つであったが、最低3つあればエリプソパラメータの測定は可能である。
【0015】
光束分離集光光学系7は、後述するように、試料5から出て、複数の検光子6a〜6dを通った光をそれぞれ複数の光ファイバ8a〜8dの各入射端81に集める光学系である。
2次元分光器9は、複数の光ファイバ8a〜8dから出射される各光束を、それぞれ分光し、2次元検出器10の異なる検出位置にスペクトルとして結像させる分光器である。
【0016】
以上の分光偏光解析装置において、白色光源2から出た光の集光点(焦点)は、試料5の観測点、光ファイバ8a〜8dの入射端81、2次元分光器9のスリット、及び2次元検出器10の検出面にそれぞれ位置することになる。
なお、図1において、偏光子4及び検光子6a〜6dは互いに入れ替えてもよい。集光光学系3及び光束分離集光光学系7は互いに入れ替えてもよい。また光ファイバ8a〜8dを省略して光を直接2次元分光器9に入れてもよい。
【0017】
光束分離集光光学系7の詳細を図2に示す。図2において、試料5を透過し、各検光子6a〜6dを透過した光は、それぞれ4つの平面鏡71a〜71dで反射され、さらに凹面鏡72で反射され、4つの光ファイバ端面81においてそれぞれ集光される。各平面鏡71a〜71dは、同一平面に置かれたものではなく、それぞれ設置角度が異なっている。これは、試料5から出た光が、4つの光ファイバ端面81で別々に焦点を結ぶようにするためである。
【0018】
なお、図2の構成で、光ファイバ端面81は縦横に並んでいるが、これに限らず直線状に4つ並んでいてもよい。また平面鏡71a〜71dと凹面鏡72とを入れ替えてもよい。さらに途中に平面鏡を挿入して光学系をコンパクトにすることも可能である。また平面鏡71a〜71dを凹面鏡として、凹面鏡72を省略することも可能である。
【0019】
また試料5と検光子6a〜6dに間にレンズ、ミラー又はその組合せを用いた集光光学系あるいは光束拡大光学系を置くことも可能である。こうすれば、試料5と検出光学系の配置に制限がある場合でも光束を検出器に導くことができる。図3は、2次元検出器10の検出面10aにおけるスペクトルの結像位置を説明する図である。複数の光ファイバ8a〜8dから出射される各光束は、それぞれ分光され、2次元検出器10の検出面10aでは、それぞれ、図3の縦方向に分離して結像する。図3の横方向は波長に対応する。なお、各スペクトル間の領域にバックグラウンド補正用のチャンネルを設定すれば、光束のスペクトルから差し引くことにより、分光器の迷光を除去したスペクトルを得ることができるという利点がある。
【0020】
図4は、本発明に係る、試料反射型の分光偏光解析装置の構成を示す。
図1に示した試料透過型の分光偏光解析装置との違いだけを説明すると、白色光源2から出た光が、試料5に斜めに当たり、その反射光が検出されること、複数の検光子12a〜12dが横1列に並んでいること、及び光束分離集光光学系13の構成が異なることである。
【0021】
複数の検光子12a〜12dを横1列に並べたのは、反射光が図4に図示した垂線Bとなす角度θを、各検光子12a〜12dについて均一にするためである。
光束分離集光光学系13の詳細を図5に示す。図5において、試料5から反射され、各検光子12a〜12dを透過した光は、それぞれ4つの平面鏡13a〜13dにあたり反射され、さらに凹面鏡131で反射され、4つの光ファイバ端面81においてそれぞれ集光される。各平面鏡13a〜13dは、同一平面に置かれたものではなく、それぞれ設置角度が異なっている。これは、試料5から出て、各検光子12a〜12dを透過した光が、光ファイバ端面81で別々に焦点を結ぶようにするためである。なお、図5の構成で、光ファイバ端面81は直線状に並んでいるが、これに限らず縦横に並んでいてもよい。平面鏡13a〜13dと凹面鏡131とを入れ替えてもよい。さらに途中に平面鏡を挿入して光学系をコンパクトにすることも可能である。また平面鏡13a〜13dを凹面鏡として、凹面鏡131を省略することも可能である。図4では、偏光子4と検光子12a〜12dを入れ替えてもよい。また試料5と検光子12a〜12dに間にレン、ミラー又はその組合せを用いた集光光学系あるいは光束拡大光学系を置くことも可能である。
【0022】
以上の試料透過型及び試料反射型の分光偏光解析装置におけるキャリブレーション及び測定の方法を説明する。ただし、以下の方法は、変形が可能であり、この方法には限定されず他の手順を採用してもよい。
(1) エリプソパラメータ測定時の装置キャリブレーション
試料透過型の場合は試料なしで、試料反射型の場合は石英板、ガラス板などのキャリブレーション用試料を用いて、エリプソパラメータを検光子の1つ(あるいは複数)を用いて回転偏光子法で測定する。
【0023】
まず、キャリブレーション用試料の偏光特性の測定を行う。
検出強度Iは偏光子4の方位角Pの関数となる。
I=I0 (1+αcos 2P+βsin 2P)
回転偏光子法で強度IをPに対して求め、上の式からα及びβを求める。キャリブレーション用試料のエリプソパラメータの関数は下記式で求められる。
【0024】
tanΨc exp(j Δc ) = tanA/{〔β±j(1−α2 −β2 )1/2〕/(1+α)}
ここでAは検光子の方位角である。上記式は複素数なので、この式よりキャリブレーション用試料のエリプソパラメータ tanΨc と位相差Δc を求めることができる。
【0025】
このときに位相差板20を偏光子4と同時に回すとキャリブレーション用試料のエリプソパラメータが求められ、位相差板20を固定としておくと位相差板20の特性が加わったエリプソパラメータが求められる。
複数の光束の強度を用いる場合には、各々の光束の強度から求められた偏光状態χ0 、 tanΨc またはcos Δc を平均する。
【0026】
求められた tanΨc とΔc から以下の順序で装置定数、すなわち4光束各々の検出系のゲインファクターを求める。
偏光子4の方位角をPm と設定すると、キャリブレーション用試料を置いた時の検出光学系に入る光の偏光特性は下記式で与えられる。
χ0 = tanPm /{ tanΨc exp(j Δc ) }
各光束の検出光量は下記の式で表される。
【0027】
Ia=GaI0 (1+α′cos 2Aa+β′sin 2Aa)
Ib=GbI0 (1+α′cos 2Ab+β′sin 2Ab)
Ic=GcI0 (1+α′cos 2Ac+β′sin 2Ac)
Id=GdI0 (1+α′cos 2Ad+β′sin 2Ad)
ここでGaからGdは光束により受光の効率が異なることから生じるためのゲインファクター(装置定数)、AaからAdは各検光子の方位角である。
【0028】
なお、分離する光学系が3つ(3光束)の場合は、3つのゲインファクターGaからGcを求めることになる。α′とβ′は下記式で与えられる。
α′=(1−χ0 χ0 * )/(1+χ0 χ0 * )
β′=(1+α′)Re(χ0 )
ここでχ* はχの共役複素数。Reは実部を表わす。したがって、ゲインファクターGaI0 〜GdI0 が計算で求められる。ある1つのゲインファクターたとえばGaを1とすると全ての装置定数であるゲインファクターを求めることができる。これ等のゲインファクターは波長依存性があるので各波長毎に求める必要がある。
(2) 試料のエリプソパラメータの測定
次に測定試料を装着して各光束の強度IaからI dを測定する。下記式で未知数はI0 、α″、β″であり、方程式の数が多いので下記式より最小二乗法により未知数(α″、β″)を求める。
【0029】
Ia/Ga =I0 (1+α″cos 2Aa+β″sin 2Aa)
Ib/Gb =I0 (1+α″cos 2Ab+β″sin 2Ab)
Ic/Gc =I0 (1+α″cos 2Ac+β″sin 2Ac)
Id/Gd =I0 (1+α″cos 2Ad+β″sin 2Ad)
求められたα″とβ″を用い下記式より反射測定の場合の試料のエリプソパラメータΨとΔが求められる。
【0030】
tanΨ exp(jΔ) = tanPm /{〔β″±j(1−α″2 −β″2 )1/2 〕/(1+α″)}
透過測定で位相差特性を持つ試料の光軸方向を方位角の基準方向に設置した場合にはその縦軸と横軸での偏光の透過率の比(Ψに相当)と位相差(Δに相当)が同じ式から求められる。
【0031】
なお、光束の数が3つの場合は、前記式には3つの未知パラメータがあり、式が3つあるので解を求めることができる。したがって、3光束の場合でもエリプソパラメータΨ,Δを求めることができる。
(3) ストークスメータの場合の装置キャリブレーション
試料透過型の場合は試料なし、試料反射型の場合は石英板、ガラス板あるいは薄い酸化膜を張ったシリコン基板などのキャリブレーション用試料を用いて回転偏光子法により、試料の偏光特性を測定する。
【0032】
▲1▼試料4と試料5の間に置かれた位相差板の方位角を検光子の方位角の1つと同じになるように同時に回転させ、1つ(あるいはそれ以上)の光束の信号を検出して回転偏光子法でキャリブレーション用試料の特性を測定する。この場合に試料に照射する光は直線偏光である。検出強度Iは偏光子の方位角Pの関数となる。
【0033】
I=I0 (1+αcos 2P+βsin 2P)
偏光子を使って回転偏光子法で強度Iのグラフを求め、上の式からα及びβを求める。キャリブレーション用試料の偏光特性は下記式で求められる。
tanΨc exp(j Δc ) = tanA/{〔β±j(1−α2 −β2 )1/2〕/(1+α)}
ここでAは選んだ光束の検光子の方位角である。ただしΔc の符号(つまり上記式の±)は装着した位相差板およびキャリブレーション用試料の特性から推定する。
【0034】
▲2▼次に試料4と試料5の間に置かれた位相差板の方位角を0度あるいは90度に固定する( 任意の方位角でも可能) 。1つあるいはそれ以上の光束の信号を用い、回転偏光子法により位相差板を含むキャリブレーション用治具の偏光特性を測定する。この時の強度のフーリエ係数α′とβ′から位相差板の特性が測定される。
【0035】
tanΨrc exp(jΔrc)=1/{tan Ψc exp(j Δc ) }×tan A/{〔β′±j(1−α′2 −β′2 )1/2〕/(1+α′)}
ここでΨc 、Δc は(3) ▲1▼で求められた値を用いる。
▲3▼ 次に偏光子4の方位角Pm を4種類あるいはそれ以上設定する(m=1,2,3,4,‥‥)。位相差板の方位角は偏光子4と同時に回転する場合をケース1、0度あるいは90度に固定の場合をケース2とする。4種類の測定にはケース1とケース2が少なくとも共に1つは含まれている必要がある。
【0036】
キャリブレーション用試料の偏光特性が判っているので、次式が与えられる。
χi /χ0 ={ tanΨc exp(j Δc )}
したがってこの式に相当するミュラーマトリックスMc(Ψc ,Δc )が求められる。このマトリックスはエリプソパラメータΨとΔをもつ試料のミュラーマトリックスであり下記式で与えられる。
【0037】
【数1】
【0038】
位相差板についても同様にミュラーマトリックスMrが求められる。偏光方向Pm の場合のストークスベクトルSi はI0 (1,cos Pm ,sin Pm ,0)T である。したがって検光子に入射する光のストークスベクトルSo は下記式で求められる。
ケース1の場合;So =McSi
ケース2の場合:So =McMrSi
結論として4種類(あるいはそれ以上)のSo 、つまりSom(m=1,2,3,4,‥‥)が求められた。下記式で検出器側のストークスベクトルを求めることができる。
【0039】
Som=I0 Mc(Ψc ,Δc )M(Pm )(1,1,0,0)T
M(Pm )は、座標回転のミュラーマトリックスである。このようにして検出系に入射する光の4種(あるいはそれ以上)の偏光状態のストークスベクトルSom=(S0 ,S1 ,S2 ,S3 )T が計算で求められる。
4種(又はそれ以上)の偏光状態Somの各々で4つの光束の測定強度をIm=(I1 m,I2 m,I3 m,I4 m)T とする。
【0040】
Im=C Som
4種類(またはそれ以上)の設定条件の結果は連立方程式になりm行4列の変換マトリクスC(装置定数)が求められる。mが4以上の場合にはCは最小二乗法で求めることが出来る。Cは各波長ごとに求めることが必要である。
これにより装置のキャリブレーションは完了する。
(4) ストークスメータの場合の測定
未知試料を所定の場所に装着し、偏光子の角度Pm と位相差板の方位角度を設定してある偏光を試料に照射し、4光束の強度Iを測定すると、
I=CSo
未知試料のミュラーマトリックスをMS とすると、
I=C Ms MrSi
ここでIは測定値、Cは装置定数、Mrはすでに求められているので、試料のミュラーマトリックスのみが未知数となる。したがって、ストークスメータの測定目的にあわせた特定の偏光を試料に照射すると上記式から、ミュラーマトリックスの要素からなる目的としたパラメータを得ることが可能である。
【0041】
【発明の効果】
以上のように本発明の偏光解析装置によれば、従来ならば偏光素子を回転させて複数回測定するところを、同時に測定することができるので、測定時間が短くできる。したがって、高速測定が可能となり、特に試料が経時変化を起こす場合にも対応できる。
【0042】
また、偏光素子を回転させる機構が必要ないので、装置の構造が簡単になるとともに、測定精度もよくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る試料透過型の分光偏光解析装置の構成を示す図である。
【図2】光束分離集光光学系の詳細を示す図である。
【図3】2次元検出器の検出面におけるスペクトルの結像位置を説明する図である。
【図4】本発明に係る試料反射型の分光偏光解析装置の構成を示す図である。
【図5】光束分離集光光学系の詳細を示す図である。
【図6】従来の試料透過型の偏光解析装置を示す図である。
【図7】従来の試料反射型の偏光解析装置を示す図である。
【符号の説明】
2 白色光源
3 集光光学系
4 偏光子
5 試料
6a〜6d 検光子
7 光束分離集光光学系
8a〜8d 光ファイバ
9 2次元分光器
10 2次元検出器
11 演算処理装置
12a〜12d 検光子
13 光束分離集光光学系[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polarization analyzer that analyzes a polarization characteristic of a sample by irradiating the sample with polarized light and measuring a polarization state of transmitted light or reflected light.
[0002]
[Prior art]
An ellipsometer, which is a type of ellipsometer, is a device that irradiates a sample with light of a certain polarization, obtains ellipso parameters from the polarization state of the transmitted or reflected light, and analyzes the polarization characteristics of the sample.
Ratio tanΨ and phase difference Δ (or Ψ and Δ) between the reflectance of the s-wave, which is a component perpendicular to the incident surface (the surface through which the incident light beam and the reflected light beam pass), and the p-wave reflectance, which is a parallel component. ) Is called an ellipso parameter, and the ellipso parameter can be used to measure the film thickness and the physical properties of the thin film material (see Japanese Patent Laid-Open Nos. 5-133811 and 5-142141).
[0003]
There is also known a Stokes meter that irradiates a sample with light of a certain polarization and obtains a Stokes parameter from the polarization state of transmitted light or reflected light.
In this specification, the ellipsometer and the Stokes meter are collectively referred to as “polarization analyzer”.
In particular, a spectroscopic ellipsometer capable of measuring the wavelength dependence of parameters is optimal for analyzing complex films such as multilayer films.
[0004]
The configuration of a conventional ellipsometer is shown in FIGS.
FIG. 6 shows a sample transmission type ellipsometer. In this sample transmission type ellipsometer, the light from the white light source 2 is applied to the
[0005]
FIG. 7 shows a sample reflection type ellipsometer. The difference between this sample reflection type ellipsometer and the sample transmission type ellipsometer is that the light reflected from the
In addition, when using as an ellipsometer, the
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the conventional ellipsometer needs to rotate the polarizer and the analyzer (half rotation or more) when measuring, and the rotation requires a certain time or more. Therefore, high-speed measurement is difficult, and analysis cannot be performed particularly when the sample changes with time. In addition, since a mechanism for rotating the polarizer and analyzer is also required, the structure becomes complicated, the optical axis of the optical element is not adjusted accurately, the processing accuracy of the optical element is insufficient, and the linearity of the central axis of the optical element is insufficient. There is a possibility that the optical axis may move during measurement due to a defect or the like, which has been a cause of poor measurement accuracy.
[0007]
Therefore, realization of an ellipsometer capable of measuring in a short time and having a simple structure is required.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The ellipsometer according to the present invention passes light that spreads in different directions from a sample, respectively, and passes through each of three or more types of analyzers in combination with three or more types of analyzers. The beam separation and condensing optical system for reflecting the reflected light by a mirror and condensing it at different focal points, the spectroscope that respectively divides the plural lights collected at the different focal points, and detecting the plural spectra a detector capable of, Ru der having an arithmetic processing unit for performing ellipsometry calculation.
[0009]
The ellipsometric calculation is performed using the device constant C or the gain factor G.
According to the ellipsometer of the above-described configuration, since the analyzing means combining three or more kinds of analyzers is used for measurement, the light that has passed through each analyzer can be measured simultaneously, and thus the measurement time is shortened. A rotating part is also unnecessary.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows the configuration of a sample transmission type spectroscopic ellipsometer according to the present invention.
This sample transmission-type spectroscopic ellipsometer analyzes light from a white light source 2 with a condensing
[0011]
The polarizer 4 needs to be a rotating type when used as a Stokes meter for measurement and calibration and as an ellipsometer for calibration, but cannot be rotated when used as an ellipsometer for measurement. But you can. The
[0012]
The white light source 2 only needs to have a wavelength range that allows the spectrum of the transmitted light of the
The condensing
[0013]
The
[0014]
The polarization directions of the plurality of
Although the number of
[0015]
As will be described later, the light beam separating and condensing
The two-
[0016]
In the above spectroscopic ellipsometer, the condensing point (focal point) of the light emitted from the white light source 2 is the observation point of the
In FIG. 1, the polarizer 4 and the
[0017]
Details of the light beam separating and condensing
[0018]
In the configuration of FIG. 2, the optical fiber end faces 81 are arranged vertically and horizontally, but the present invention is not limited to this, and four optical fiber end faces 81 may be arranged in a straight line. The plane mirrors 71a to 71d and the concave mirror 72 may be interchanged. Further, it is possible to make the optical system compact by inserting a plane mirror in the middle. It is also possible to omit the concave mirror 72 by using the plane mirrors 71a to 71d as concave mirrors.
[0019]
It is also possible to place a condensing optical system or a beam expanding optical system using a lens, a mirror, or a combination thereof between the
[0020]
FIG. 4 shows a configuration of a sample reflection type spectroscopic ellipsometer according to the present invention.
Only the difference from the sample transmission type spectroscopic ellipsometer shown in FIG. 1 will be described. Light emitted from the white light source 2 strikes the
[0021]
The reason why the plurality of analyzers 12a to 12d are arranged in a horizontal row is to make the angle θ formed by the reflected light with the perpendicular B shown in FIG. 4 uniform for each of the analyzers 12a to 12d.
Details of the light beam separating and condensing
[0022]
Calibration and measurement methods in the above-described sample transmission type and sample reflection type spectroscopic ellipsometers will be described. However, the following method can be modified and is not limited to this method, and other procedures may be adopted.
(1) Equipment calibration for ellipsoparameter measurement Sample transmission type is without sample, and sample reflection type is a calibration sample such as quartz plate or glass plate, and ellipsoparameter is one of the analyzers. (Or a plurality) is measured by the rotating polarizer method.
[0023]
First, the polarization characteristics of the calibration sample are measured.
The detection intensity I is a function of the azimuth angle P of the polarizer 4.
I = I 0 (1 + αcos 2P + βsin 2P)
The intensity I is obtained with respect to P by the rotating polarizer method, and α and β are obtained from the above equations. The function of the ellipso parameter of the calibration sample is obtained by the following equation.
[0024]
tan Ψ c exp (j Δ c ) = tan A / {[β ± j (1-α 2 −β 2 ) 1/2 ] / (1 + α)}
Here, A is the azimuth angle of the analyzer. Since the above equation is a complex number, the ellipso parameter tan Ψ c and the phase difference Δ c of the calibration sample can be obtained from this equation.
[0025]
At this time, if the
When using the intensity of a plurality of light beams, the polarization state χ 0 , tan Ψ c or cos Δ c obtained from the intensity of each light beam is averaged.
[0026]
From the obtained tan Ψ c and Δ c , the apparatus constant, that is, the gain factor of the detection system for each of the four light beams is obtained in the following order.
When the azimuth angle of the polarizer 4 is set to P m , the polarization characteristic of the light entering the detection optical system when the calibration sample is placed is given by the following equation.
χ 0 = tanP m / {tanΨ c exp (jΔ c )}
The detected light quantity of each light beam is expressed by the following equation.
[0027]
Ia = GaI 0 (1 + α′cos 2Aa + β′sin 2Aa)
Ib = GbI 0 (1 + α′cos 2Ab + β′sin 2Ab)
Ic = GcI 0 (1 + α′cos 2Ac + β′sin 2Ac)
Id = GdI 0 (1 + α′cos 2Ad + β′sin 2Ad)
Here, Ga to Gd are gain factors (equipment constants) that arise from the fact that the light receiving efficiency varies depending on the light flux, and Aa to Ad are azimuth angles of the respective analyzers.
[0028]
When there are three optical systems (three light beams) to be separated, Gc is obtained from the three gain factors Ga. α ′ and β ′ are given by the following equations.
α ′ = (1−χ 0 χ 0 * ) / (1 + χ 0 χ 0 * )
β ′ = (1 + α ′) Re (χ 0 )
Where χ * is the conjugate complex number of χ. Re represents the real part. Accordingly, gain factors GaI 0 to GdI 0 are obtained by calculation. When a certain gain factor, for example, Ga is 1, gain factors that are all device constants can be obtained. Since these gain factors are wavelength-dependent, it is necessary to obtain them for each wavelength.
(2) Measurement of Ellipsoparameter of Sample Next, the measurement sample is mounted and the intensities Ia to Id of the respective light beams are measured. In the following equation, the unknowns are I 0 , α ″, β ″, and there are many equations, so the unknowns (α ″, β ″) are obtained by the least square method from the following equation.
[0029]
Ia / Ga = I 0 (1 + α ″ cos 2Aa + β ″ sin 2Aa)
Ib / Gb = I 0 (1 + α ″ cos 2Ab + β ″ sin 2Ab)
Ic / Gc = I 0 (1 + α ″ cos 2Ac + β ″ sin 2Ac)
Id / Gd = I 0 (1 + α ″ cos 2Ad + β ″ sin 2Ad)
Using the obtained α ″ and β ″, the ellipso parameters Ψ and Δ of the sample in the case of reflection measurement are obtained from the following equation.
[0030]
tanΨ exp (jΔ) = tanP m / {[β ″ ± j (1-α ″ 2 −β ″ 2 ) 1/2 ] / (1 + α ″)}
When the optical axis direction of a sample having phase difference characteristics in transmission measurement is set to the reference direction of the azimuth angle, the ratio of the transmittance of polarized light (corresponding to Ψ) and the phase difference (in Δ) Equivalent) is obtained from the same equation.
[0031]
When the number of light beams is three, the above equation has three unknown parameters, and since there are three equations, a solution can be obtained. Therefore, the ellipso parameters Ψ and Δ can be obtained even in the case of three light beams.
(3) Equipment calibration in the case of a Stokes meter In the case of the sample transmission type, the sample is rotated, and in the case of the sample reflection type, rotation is performed using a calibration sample such as a quartz plate, a glass plate or a silicon substrate with a thin oxide film. The polarization characteristics of the sample are measured by the polarizer method.
[0032]
(1) The azimuth angle of the phase difference plate placed between the sample 4 and the
[0033]
I = I 0 (1 + αcos 2P + βsin 2P)
Using the polarizer, a graph of intensity I is obtained by the rotating polarizer method, and α and β are obtained from the above equations. The polarization characteristic of the calibration sample is obtained by the following formula.
tan Ψ c exp (j Δ c ) = tan A / {[β ± j (1-α 2 −β 2 ) 1/2 ] / (1 + α)}
Here, A is the azimuth angle of the analyzer of the selected light flux. However, the sign of Δ c (that is, ± in the above equation) is estimated from the characteristics of the mounted retardation plate and the calibration sample.
[0034]
(2) Next, the azimuth angle of the phase difference plate placed between the sample 4 and the
[0035]
tan ψ rc exp (jΔ rc ) = 1 / {tan ψ c exp (j Δ c )} × tan A / {[β ′ ± j (1-α ′ 2 −β ′ 2 ) 1/2 ] / (1 + α ′ )}
Here, the values obtained in (3) (1) are used for Ψ c and Δ c .
▲ 3 ▼ then set the azimuth P m of the polarizer 4 four or more (m = 1,2,3,4, ‥‥). The azimuth angle of the phase difference plate is assumed to be the case 1 when rotating simultaneously with the polarizer 4, and the case 2 being fixed to 0 degree or 90 degrees. The four types of measurements require at least one case 1 and one case 2 to be included.
[0036]
Since the polarization characteristic of the calibration sample is known, the following equation is given.
χ i / χ 0 = {tan Ψ c exp (j Δ c )}
Therefore, a Mueller matrix Mc (Ψ c , Δ c ) corresponding to this equation is obtained. This matrix is a Mueller matrix of a sample having ellipso parameters Ψ and Δ, and is given by the following equation.
[0037]
[Expression 1]
[0038]
Similarly, the Mueller matrix Mr is obtained for the retardation plate. The Stokes vector S i in the case of the polarization direction P m is I 0 (1, cos P m , sin P m , 0) T. Therefore, the Stokes vector So of the light incident on the analyzer can be obtained by the following equation.
Case 1; So = McS i
Case 2: So = McMrS i
In conclusion, four types (or more) of So, that is, Som (m = 1, 2, 3, 4,...) Were obtained. The detector-side Stokes vector can be obtained by the following equation.
[0039]
Som = I 0 Mc (Ψ c , Δ c) M (P m) (1,1,0,0) T
M (P m ) is a Mueller matrix of coordinate rotation. In this way, the Stokes vectors Som = (S0, S1, S2, S3) T of the four types (or more) of polarization states of the light incident on the detection system are obtained by calculation.
The measured intensity of the four light beams in each of the four (or more) polarization states Som is Im = (I 1 m, I 2 m, I 3 m, I 4 m) T.
[0040]
Im = C Som
The result of the four types (or more) of the setting conditions is a simultaneous equation, and a m-by-4 conversion matrix C (device constant) is obtained. When m is 4 or more, C can be obtained by the least square method. C must be obtained for each wavelength.
This completes the calibration of the apparatus.
(4) In the case of a Stokes meter, an unknown sample is mounted at a predetermined location, and the sample is irradiated with polarized light in which the angle P m of the polarizer and the azimuth angle of the retardation plate are set, and the intensity I of the four beams is obtained. When measuring
I = CSo
Let M S be the Mueller matrix of an unknown sample.
I = C M s MrS i
Here, since I is a measured value, C is an apparatus constant, and Mr is already obtained, only the Mueller matrix of the sample is an unknown. Therefore, when the sample is irradiated with a specific polarized light in accordance with the measurement purpose of the Stokes meter, it is possible to obtain a target parameter composed of elements of the Mueller matrix from the above formula.
[0041]
【The invention's effect】
As described above, according to the ellipsometry apparatus of the present invention, the measurement time can be shortened because it is possible to measure a plurality of times by rotating the polarizing element conventionally. Therefore, high-speed measurement is possible, and in particular, it is possible to cope with a case where the sample changes with time.
[0042]
Further, since a mechanism for rotating the polarizing element is not necessary, the structure of the apparatus is simplified and the measurement accuracy is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a sample transmission type spectroscopic ellipsometer according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing details of a light beam separating and condensing optical system.
FIG. 3 is a diagram for explaining an imaging position of a spectrum on a detection surface of a two-dimensional detector.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a sample reflection type spectroscopic ellipsometer according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing details of a light beam separating and condensing optical system.
FIG. 6 is a diagram showing a conventional sample transmission type ellipsometer.
FIG. 7 is a diagram showing a conventional sample reflection type ellipsometer.
[Explanation of symbols]
2
Claims (4)
試料から異なった方向に広がる光を、それぞれ通過させる、3種以上の検光子を組み合わせた検光手段と、
前記検光手段の3種以上の検光子をそれぞれ通過した光を、鏡で反射させて別々の焦点に集光させるための光束分離集光光学系と、
前記別々の焦点に集光された複数光をそれぞれ分光する分光器と、
複数のスペクトルを検出することのできる検出器と、
偏光解析演算を行う演算処理部とを有することを特徴とする偏光解析装置。In a polarization analyzer that separates sample light into a plurality of different polarization components and measures each polarization component,
Analyzing means combining three or more types of analyzers, each of which passes light spreading in different directions from the sample,
A light beam separating and condensing optical system for reflecting the light that has passed through each of the three or more analyzers of the light analyzing means by a mirror and condensing them at different focal points;
A spectroscope that separates each of the plurality of lights collected at the separate focal points;
A detector capable of detecting multiple spectra;
An ellipsometry apparatus comprising: an arithmetic processing unit that performs ellipsometry computation.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10267727B2 (en) | 2014-12-19 | 2019-04-23 | Anton Paar Optotec Gmbh | Determining polarization rotation characteristics of a sample taking into consideration a transmission dispersion |
Families Citing this family (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2001013079A1 (en) * | 1999-08-18 | 2001-02-22 | Swinburne University | Method and apparatus for the resolution of beams of electromagnetic radiation |
FR2811761B1 (en) * | 2000-07-17 | 2002-10-11 | Production Rech S Appliquees | HIGH SPACE RESOLUTION ELLIPSOMETER OPERATING IN THE INFRARED |
WO2004008196A1 (en) * | 2002-07-13 | 2004-01-22 | Autocloning Technology Ltd. | Polarization analyzer |
JP2005257508A (en) * | 2004-03-12 | 2005-09-22 | Nokodai Tlo Kk | Double refraction characteristic measuring device and double refraction characteristic measuring method |
JP4883549B2 (en) * | 2004-12-09 | 2012-02-22 | 大学共同利用機関法人自然科学研究機構 | Spectrometer |
WO2006103953A1 (en) * | 2005-03-28 | 2006-10-05 | National University Corporation Tokyo University Of Agriculture And Technology | Optical characteristics measuring device and optical characteristics measuring method |
JP5118311B2 (en) * | 2006-03-27 | 2013-01-16 | 株式会社フォトニックラティス | Measuring device for phase difference and optical axis orientation |
US7701577B2 (en) * | 2007-02-21 | 2010-04-20 | Asml Netherlands B.V. | Inspection method and apparatus, lithographic apparatus, lithographic processing cell and device manufacturing method |
JP5289989B2 (en) * | 2009-01-27 | 2013-09-11 | 日本分光株式会社 | Phase difference measuring device |
JP5581343B2 (en) * | 2012-01-13 | 2014-08-27 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | Defect inspection method and apparatus |
CN103558157B (en) * | 2013-11-19 | 2015-10-28 | 上海理工大学 | Based on digital robotization optical rotational activity spectrum instrument and the method for testing of DSP |
US20170045397A1 (en) * | 2014-05-08 | 2017-02-16 | National University Of Singapore | Device for analysing a specimen and corresponding method |
FR3079028B1 (en) | 2018-03-15 | 2020-05-15 | Horiba France Sas | INSTANTANEOUS ELLIPSOMETER OR SPECTROSCOPIC SCATTEROMETER AND MEASURING METHOD THEREOF |
WO2022249527A1 (en) * | 2021-05-27 | 2022-12-01 | ソニーグループ株式会社 | Inspection device and inspection method |
Family Cites Families (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS56137247A (en) * | 1980-03-31 | 1981-10-27 | Japan Atom Energy Res Inst | Multipoint simultaneous measuring instrument |
JPH0443808Y2 (en) * | 1986-04-11 | 1992-10-15 | ||
US5298972A (en) * | 1990-01-22 | 1994-03-29 | Hewlett-Packard Company | Method and apparatus for measuring polarization sensitivity of optical devices |
JPH04270943A (en) * | 1991-02-27 | 1992-09-28 | Tomoya Ogawa | Spectrum analyzer |
JPH0571923A (en) * | 1991-09-12 | 1993-03-23 | Canon Inc | Polarization analyzing method and thin film measuring apparatus |
JPH07260295A (en) * | 1994-03-25 | 1995-10-13 | Omron Corp | Surface state controlling device |
JP3326319B2 (en) * | 1995-06-30 | 2002-09-24 | 古河電気工業株式会社 | Method and apparatus for measuring polarization mode dispersion |
JPH09127012A (en) * | 1995-10-27 | 1997-05-16 | Nkk Corp | Method and device for detecting surface scratch |
JPH09222361A (en) * | 1995-12-12 | 1997-08-26 | Omron Corp | Detection device for color, etc., of material and inspection device using it |
JP3264162B2 (en) * | 1995-12-19 | 2002-03-11 | オムロン株式会社 | Glossiness determination sensor device |
JPH09178562A (en) * | 1995-12-21 | 1997-07-11 | Omron Corp | Color detector and printer employing it |
JPH11101739A (en) * | 1997-09-26 | 1999-04-13 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Ellipsometry apparatus |
-
1998
- 1998-01-27 JP JP01386398A patent/JP3866849B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10267727B2 (en) | 2014-12-19 | 2019-04-23 | Anton Paar Optotec Gmbh | Determining polarization rotation characteristics of a sample taking into consideration a transmission dispersion |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH11211654A (en) | 1999-08-06 |
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