JP4153412B2 - Ellipsometry method using ellipsometer - Google Patents

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Description

本発明は、光の偏光解析装置またはそれを利用して薄膜の光学定数および厚さを測定するエリプソメータのデータ解析方法に関する。 The present invention relates to an optical ellipsometer or an ellipsometer data analysis method for measuring the optical constant and thickness of a thin film using the same.

薄膜資料の特性を評価する代表的な測定方法として、古くから知られている手法であるエリプソメトリが挙げられる。これは薄膜試料に入射した光の反射光のうち電界が入射面に平行な成分(P偏波)の反射率Rpと、電界が入射面に垂直な成分(S偏波)の反射率Rsとの比ρを測定することにより、試料の膜厚および屈折率を求める手法である。ここで、ρは一般には複素数であり、ρ=Rp/Rs=tan(Ψ)×exp(jΔ)と表すことができる。Ψ、Δはエリプソパラメータまたはエリプソメトリ角と呼ばれるものであり、エリプソメトリではこの振幅比Ψと位相差Δを測定により求めることになる。ρは膜の光学定数(n)、厚さ(d)によって決まる値であることから、Ψ、Δを求めることにより、逆に光学定数、厚さを算出することが可能となる。 A typical measurement method for evaluating the characteristics of thin film materials is ellipsometry, a method that has been known for a long time. This is because the reflectance Rp of the component (P-polarized light) whose electric field is parallel to the incident surface of the reflected light of the light incident on the thin film sample, and the reflectance Rs of the component (S-polarized light) whose electric field is perpendicular to the incident surface. This is a method for determining the film thickness and refractive index of the sample by measuring the ratio ρ. Here, ρ is generally a complex number and can be expressed as ρ = Rp / Rs = tan (Ψ) × exp (jΔ). Ψ and Δ are called ellipsometric parameters or ellipsometric angles. In the ellipsometry, the amplitude ratio Ψ and the phase difference Δ are obtained by measurement. Since ρ is a value determined by the optical constant (n) and thickness (d) of the film, it is possible to calculate the optical constant and thickness conversely by obtaining Ψ and Δ.

従来のエリプソメータでは、試料からの反射光の偏光解析を行ってΨとΔを求める方法として、消光法や回転検光子法など用いられてきた(非特許文献1)。消光法とは、試料からの反射光(一般には楕円偏波)を1/4波長板、偏光子の順に通して受光器で受光し、1/4波長板と偏光子をそれぞれ独立に回転させて、光強度が最小となる回転角度を読むことによりΨとΔを求めるものである。しかしながら、この方法では2変数で最小値を探すため、1回の測定を行うだけでも多くの時間を必要とする欠点がある。一方の回転検光子法とは、1/4波長板を使わずに検光子だけを用いて偏光解析を行う方法である。回転検光子法では偏光子を1回転させときの受光強度の変化を測定し、受光強度を角度の関数として得られれば、計算によりΨとΔを求めることができるが、位相差についてΔと(2π―Δ)の区別、すなわち右周りの楕円偏波か左周りの楕円偏波かの区別が付かないという不都合がある。これを回避するためは、1/4波長板を挿脱するなどして1点の計測に対して2回以上の測定を行う必要があり、測定が煩雑であり計測に要する時間が多大であることは先の消光法とあまり変わらない。 In conventional ellipsometers, the extinction method, the rotation analyzer method, and the like have been used as a method for obtaining Ψ and Δ by performing polarization analysis of reflected light from a sample (Non-patent Document 1). In the quenching method, reflected light from a sample (generally elliptically polarized light) is passed through a quarter-wave plate and a polarizer in order and received by a light receiver, and the quarter-wave plate and the polarizer are rotated independently. Thus, Ψ and Δ are obtained by reading the rotation angle at which the light intensity is minimum. However, since this method searches for the minimum value using two variables, there is a drawback that a lot of time is required even if only one measurement is performed. On the other hand, the rotational analyzer method is a method of performing polarization analysis using only an analyzer without using a quarter-wave plate. In the rotational analyzer method, if the change in the received light intensity when the polarizer is rotated once is measured and the received light intensity is obtained as a function of the angle, Ψ and Δ can be obtained by calculation. 2π−Δ), that is, it cannot be distinguished whether it is a right-handed elliptically polarized wave or a left-handed elliptically polarized wave. In order to avoid this, it is necessary to perform measurement twice or more with respect to one point measurement by inserting / removing a quarter wavelength plate, etc., and the measurement is complicated and the time required for the measurement is great. That is not much different from the previous quenching method.

このような従来のエリプソメータの回転部品や駆動部品による不都合を無くし、偏波解析の高精度化および高速化を実現する新しい偏光解析装置として、波長板アレイと偏光子アレイおよび受光素子アレイを組み合わせる構造が提案されている(特許文献1)。これは、位相差が一定(理想的には1/4波長、つまりπ/2ラジアン)で光軸方向が違う複数の波長板領域を有する波長板アレイと、透過する偏波の主軸方向が違う複数の偏光子領域を有する偏光子アレイとを、波長板アレイが前面、偏光子アレイが後面になるように重ね合わせ、それらを通過した光の強度分布を受光素子アレイで測定する装置である。この新しい偏光解析装置を用いることにより、従来のエリプソメータで測定される波長板の角度あるいは偏光子の角度に対する光強度についての情報を、2次元データとして瞬時に得ることが可能となる。 A structure that combines a waveplate array, a polarizer array, and a light-receiving element array as a new ellipsometer that eliminates the inconvenience of rotating parts and drive parts of conventional ellipsometers and realizes high-precision and high-speed polarization analysis. Has been proposed (Patent Document 1). This is different from a wave plate array having a plurality of wave plate regions having a constant phase difference (ideally 1/4 wavelength, that is, π / 2 radians) and different optical axis directions, and a main axis direction of polarized light to be transmitted is different. This is an apparatus that superimposes a polarizer array having a plurality of polarizer regions such that the wave plate array is the front surface and the polarizer array is the rear surface, and measures the intensity distribution of the light that has passed through them with the light receiving element array. By using this new ellipsometer, it is possible to instantaneously obtain information about the light intensity with respect to the angle of the wave plate or the angle of the polarizer measured by a conventional ellipsometer as two-dimensional data.

波長板アレイや偏光子アレイなどの複雑な構成の部品は、フォトニック結晶技術を用いることにより、簡単なプロセスで精度の高い作成が可能である。また、光素子アレイとしてはCCDなどの従来からあるイメージセンサを用いることができる。従って、この新しいエリプソメータは従来の製品と比較して、非常に小型で安価な装置を実現できるだけでなく、装置の信頼性も高い。このため、薄膜プロセス装置の内部に導入して膜厚・膜質のリアルタイムモニタとして利用するなど、従来のエリプソメータではほとんど不可能であったような新しい利用方法も期待される。 By using a photonic crystal technique, a component having a complicated structure such as a wave plate array or a polarizer array can be produced with high accuracy by a simple process. As the optical element array, a conventional image sensor such as a CCD can be used. Therefore, this new ellipsometer can not only realize a very small and inexpensive device, but also has high device reliability as compared with the conventional product. For this reason, new usage methods that are almost impossible with conventional ellipsometers, such as being introduced into a thin film process apparatus and used as a real-time monitor of film thickness and film quality, are expected.

このように、波長板アレイと偏光子アレイを用いる新しい偏光解析装置やエリプソメータは非常に高い性能が期待されるが、受光素子アレイによって測定される2次元情報から入射光の偏光状態を高精度に解析する手法は、まだ提案されていなかった。
特願2003−363854 応用物理ハンドブック,応用物理学会編(丸善),pp.20−22,1990年.
As described above, the new ellipsometer and ellipsometer using the wave plate array and the polarizer array are expected to have very high performance, but the polarization state of the incident light is accurately determined from the two-dimensional information measured by the light receiving element array. No analysis method has been proposed yet.
Japanese Patent Application No. 2003-363854 Applied Physics Handbook, Applied Physics Society (Maruzen), pp. 20-22, 1990.

本発明は前記の波長板アレイおよび偏光子アレイを用いることを特徴とするような、駆動部のない新方法の偏光解析装置またはエリプソメータにおいて、受光素子アレイによって測定される強度分布パターンから入射光の偏光状態を高精度に解析するアルゴリズムを提供する。 In the ellipsometer or ellipsometer of a new method without a driving unit, the present invention uses the wave plate array and the polarizer array described above, and the incident light from the intensity distribution pattern measured by the light receiving element array is used. An algorithm for analyzing the polarization state with high accuracy is provided.

波長板アレイおよび偏光子アレイを用いる偏光解析装置によって測定される光強度分布パターンの形状を解析する手段として、強度分布パターンの等高線形状を解析する方法か、または強度分布をフーリエ変換する方法およびそれらを組み合わせた方法を採用する。 As a means of analyzing the shape of the light intensity distribution pattern measured by the ellipsometer using the wave plate array and the polarizer array, a method of analyzing the contour shape of the intensity distribution pattern or a method of Fourier transforming the intensity distribution and those Adopt a combination of methods.

初めに、波長板アレイおよび偏光子アレイを用いた、駆動部のない偏光解析装置について簡単に説明する。この偏光解析装置は図1のような構成からなる。波長板アレイ101は光軸の向きが異なる複数の領域をM列配列したものであり、それぞれの領域のリターデーション量は一定(理想的には1/4波長板)となるように設計されている。また、偏光子アレイ102は透過する光の偏光方向が異なる複数の領域をN列配列したものであり、それぞれの領域の偏波消光比は十分に高くなるように設計されている。このような波長板アレイと偏光子アレイを互いに直交するように貼り合わせ、その後方に、波長板アレイと偏光子アレイの重ね合わせによって作られるM×N個の領域を通過した光をそれぞれ個別に受光することができるような受光素子アレイ103を配置することによって駆動部のない偏光解析装置を実現することができる。波長板アレイおよび偏光子アレイをフォトニック結晶によって作成することにより、非常に小型で高精度な装置を実現することができる。なお、このような偏光解析装置の詳細については、特許文献1を参照されたい。 First, a brief description will be given of a polarization analyzer using a wave plate array and a polarizer array and having no drive unit. This ellipsometer has a configuration as shown in FIG. The wave plate array 101 is formed by arranging a plurality of regions having different optical axis directions in M rows, and the retardation amount of each region is designed to be constant (ideally a quarter wave plate). Yes. In addition, the polarizer array 102 is formed by arranging a plurality of regions having different polarization directions of transmitted light in N rows, and the polarization extinction ratio of each region is designed to be sufficiently high. Such a wave plate array and a polarizer array are bonded so as to be orthogonal to each other, and light beams that have passed through M × N regions formed by superposition of the wave plate array and the polarizer array are individually provided behind the wave plate array and the polarizer array. By disposing the light receiving element array 103 that can receive light, it is possible to realize a polarization analyzer without a drive unit. By producing the wave plate array and the polarizer array with a photonic crystal, a very small and highly accurate device can be realized. Refer to Patent Document 1 for details of such an ellipsometer.

上記の偏光解析装置に直線偏光もしくは円偏波の光が入射したときに、受光素子アレイで観測される光強度分布のシミュレーション結果の例を図2に示す。ここで、偏光解析装置に用いる波長板アレイは各波長板領域の位相差が1/4波長であり、主軸角度を0°から180°まで12°ずつ変化させたものであるとし、同じく偏光子アレイは各偏光子領域の主軸角度を0°から180°まで12°ずつ変化させたものとした。結果から、新方式の偏光解析装置で観測される光強度分布は、入射光の偏光状態によって変化することがわかる。このことから、得られる光強度分布形状を解析することによって、逆に入射光の偏光状態を求めることが可能であることが予想される。 FIG. 2 shows an example of a simulation result of the light intensity distribution observed by the light receiving element array when linearly polarized light or circularly polarized light is incident on the ellipsometer. Here, in the waveplate array used in the ellipsometer, the phase difference of each waveplate region is ¼ wavelength, and the principal axis angle is changed by 12 ° from 0 ° to 180 °. In the array, the principal axis angle of each polarizer region was changed by 12 ° from 0 ° to 180 °. From the results, it can be seen that the light intensity distribution observed with the new ellipsometer changes depending on the polarization state of the incident light. From this, it is expected that the polarization state of incident light can be obtained by analyzing the obtained light intensity distribution shape.

次に、これらの偏光解析装置によって得られる光強度分布について、理論的(数学的)な検討を行う。波長板および偏光子による光の偏光状態の変化はジョーンズ行列で表すことができるため、入射光の偏光状態をエリプソメトリ角であるΨとΔで表すなら、波長板と偏光子を通過後のジョーンズベクトルは図3の式301のように表すことができる。ここで、θは波長板の主軸角度、αは波長板のリターデーション量を表し、またφは偏光子の主軸角度を表す。ここで、偏光状態はエリプソメトリ角で表現するよりも、楕円偏波の楕円率(ε)と傾き(γ)で表すほうが、偏光状態のイメージを掴み易いため、入射光の偏光状態は式302のように置き換えることができる。したがって、前記の偏光解析装置を用いた場合、受光素子アレイに到達する光の偏波状態は結局、式303のように表現することができる。簡単のため、以下では−1≦ε≦1とし、γは楕円偏波の長軸の傾き(水平方向を基準とした角度)を表すものとする。直線偏光ではε=0、円偏光の場合はε=±1となり、ε>0なら右回りの楕円偏光、ε<0なら左回りの楕円偏光を表す。最終的に受光素子アレイで測定される光強度は、式304で示すように、ジョーンズベクトルの絶対値の二乗により求めることができる。 Next, theoretical (mathematical) studies are performed on the light intensity distribution obtained by these ellipsometers. The change in the polarization state of light due to the waveplate and the polarizer can be represented by a Jones matrix, so if the polarization state of the incident light is represented by ellipsometry angles Ψ and Δ, Jones after passing through the waveplate and the polarizer The vector can be expressed as shown in Equation 301 in FIG. Here, θ represents the principal axis angle of the wave plate, α represents the retardation amount of the wave plate, and φ represents the principal axis angle of the polarizer. Here, the polarization state of the incident light is expressed by the expression 302 because it is easier to grasp the image of the polarization state when the polarization state is expressed by the ellipticity (ε) and the inclination (γ) of the elliptical polarization than by the ellipsometry angle. Can be replaced as follows. Therefore, when the above-described ellipsometer is used, the polarization state of the light reaching the light receiving element array can be expressed as Equation 303. For simplicity, -1 ≦ ε ≦ 1 is assumed below, and γ represents the inclination of the major axis of the elliptically polarized wave (an angle with respect to the horizontal direction). In the case of linearly polarized light, ε = 0, and in the case of circularly polarized light, ε = ± 1, and if ε> 0, it represents clockwise elliptically polarized light, and if ε <0, it represents counterclockwise elliptically polarized light. The light intensity finally measured by the light receiving element array can be obtained by the square of the absolute value of the Jones vector, as shown by Expression 304.

以上のように、受光素子アレイで測定される光強度は、入射偏波状態(ε、γ)および波長板の角度(θ)と偏光子の角度(φ)との関数として表されることになる。この偏光解析装置において、θとφは装置に依存した既知の値であるため、受光素子アレイで観測される光強度分布の形状を解析することにより、入射光の偏光状態を正確に求められることが、理論的な見地からも明らかとなる。 As described above, the light intensity measured by the light receiving element array is expressed as a function of the incident polarization state (ε, γ) and the wave plate angle (θ) and the polarizer angle (φ). Become. In this ellipsometer, since θ and φ are known values depending on the device, the polarization state of incident light can be accurately obtained by analyzing the shape of the light intensity distribution observed in the light receiving element array. However, it becomes clear from a theoretical point of view.

強度分布の解析方法として最も単純なものは、測定されるパターンの最大値もしくは最小値の位置を検出する方法である。これは、先に述べた従来のエリプソメータにおける消光法に対応するものである。消光法では、波長板の角度と偏光子を回転させ、入射光が完全に消光されるときの波長板および偏光子の角度から入射偏光の楕円率や傾きを直接求めることができる。波長板アレイと偏光子アレイを用いる新しい偏光解析装置の場合も全く同じ原理により、2次元の強度分布パターンに生じる暗点(最小値、ゼロ点)もしくは明点(最大値)の位置(座標、つまりは波長板と偏光子の主軸角度)を検出すれば、入射光の偏光状態を求められることになる。ここで、偏光解析装置に入射される光強度が面内で一様でない場合や、光強度が時間的に変動する場合などを考慮すると、明点を検出するよりも暗点を検出するほうが容易であることは自明である。 The simplest method for analyzing the intensity distribution is a method for detecting the position of the maximum or minimum value of the pattern to be measured. This corresponds to the quenching method in the conventional ellipsometer described above. In the quenching method, the angle of the wave plate and the polarizer are rotated, and the ellipticity and inclination of the incident polarized light can be directly obtained from the angle of the wave plate and the polarizer when the incident light is completely quenched. In the case of a new ellipsometer using a wave plate array and a polarizer array, the position (coordinates, dark point (minimum value, zero point) or bright point (maximum value) generated in the two-dimensional intensity distribution pattern is based on the same principle. In other words, if the main plate angle of the wave plate and the polarizer is detected, the polarization state of the incident light can be obtained. Here, it is easier to detect a dark spot than to detect a bright spot, considering the case where the light intensity incident on the ellipsometer is not uniform in the plane or the light intensity fluctuates over time. It is self-evident.

前述のような明点検出法および暗点検出法では得られる2次元パターンのほんの一部(一点)のデータのみ用いることにより、瞬時に入射光の偏光状態を解析できるという利点がある。しかしながら、この方法では測定される2次元データの大部分を無駄にしていることになり、新しい偏光解析装置の利点を十分に生かしているとは言い難い。また、例えば前述の偏光解析装置において、波長板の位相差が1/4波長からずれた場合を考えると、入射偏波によっては完全に消光する点がなくなってしまうため、正確な偏波の解析が不可能となってしまう。これらの問題を解決し、より多くのデータ点を用いてパターン全体の形状を解析することで入射光の偏光状態を高精度に求める方法として、以下のようなアルゴリズムを提案する。 The light point detection method and the dark point detection method as described above have an advantage that the polarization state of incident light can be analyzed instantaneously by using only a part (one point) of data of a two-dimensional pattern obtained. However, in this method, most of the two-dimensional data to be measured is wasted, and it cannot be said that the advantages of the new ellipsometer are fully utilized. In addition, for example, in the above-described ellipsometer, if the phase difference of the wave plate is deviated from a quarter wavelength, there will be no point of complete extinction depending on the incident polarization. Becomes impossible. The following algorithm is proposed as a method for solving these problems and obtaining the polarization state of incident light with high accuracy by analyzing the shape of the entire pattern using more data points.

本発明の偏光解析システムは、偏光解析装置と、コンピュータとを有する偏光解析システムであって、前記偏光解析装置は、位相差が一定で光軸方向が異なる複数の波長板を有する波長板アレイと、前記波長板アレイを透過した光が入射する偏光子アレイであって、透過する偏波の方向が異なる複数の偏光子を有する偏光子アレイと、前記波長板アレイのある波長板を通過し、かつ前記偏光子アレイのある偏光子を通過した光を個別に受光することのできる受光素子アレイと、を有し、前記波長板アレイに含まれる波長板の光軸の角度を第1の軸とし、前記偏光子アレイに含まれる偏光子の透過する偏波の角度を第2の軸としたときに、前記第1の軸及び前記第2の軸によって構成される座標上に、前記受光子アレイにより観測された光の強度を当てはめ、光強度分布を出力し、前記コンピュータは、前記偏光解析装置から出力される前記光強度分布を受信し、受信した光強度分布を用いて入射光の偏光状態を求める、偏光解析システムに関する。
An ellipsometry system of the present invention is an ellipsometry system having an ellipsometer and a computer, and the ellipsometer includes a wave plate array having a plurality of wave plates having a constant phase difference and different optical axis directions. A polarizer array on which the light transmitted through the wave plate array is incident, the polarizer array having a plurality of polarizers having different polarization directions to be transmitted, and a wave plate having the wave plate array, And a light receiving element array capable of individually receiving light that has passed through a polarizer of the polarizer array, wherein the angle of the optical axis of the wave plate included in the wave plate array is a first axis. When the angle of the polarized light transmitted through the polarizer included in the polarizer array is a second axis, the photoreceiver array is arranged on the coordinates constituted by the first axis and the second axis. Light intensity observed by And the computer outputs the light intensity distribution, the computer receives the light intensity distribution output from the ellipsometer, and obtains the polarization state of the incident light using the received light intensity distribution. .

本発明の好ましい偏光解析システムは、偏光解析システムにおいて、受光素子アレイによって観測される強度分布パターンの最大点もしくは最小点近傍のパターン形状の特徴を利用してサンプル値をフィッティングまたは内挿することにより、エリプソメトリの消光点または光量の最小点を求め、入射光の偏光状態を求めることを特徴とするものである。
The preferred ellipsometry system of the present invention is such that in the ellipsometry system, the sample value is fitted or interpolated using the feature of the pattern shape near the maximum point or minimum point of the intensity distribution pattern observed by the light receiving element array. In this case, the extinction point of the ellipsometry or the minimum point of the light amount is obtained, and the polarization state of the incident light is obtained.

本発明の好ましい偏光解析システムは、偏光解析システムにおいて、観測される強度分布パターンの形状解析方法として、フーリエ変換を採用したことを特徴とするものである。
A preferred ellipsometry system of the present invention is characterized in that Fourier transform is adopted as a shape analysis method of the observed intensity distribution pattern in the ellipsometry system.

本発明の好ましい偏光解析システムは、観測される強度分布パターンの形状を解析することにより、前記の偏光解析装置に使用されている波長板アレイの位相差の値を検出し、その設計値からのズレを自己補正することを特徴とするものである。
The preferred ellipsometry system of the present invention detects the phase difference value of the wave plate array used in the ellipsometer by analyzing the shape of the observed intensity distribution pattern, and from the design value. It is characterized by self-correcting the deviation.

本発明の偏光解析システムにおいて、波長板アレイまたは偏光子アレイの各領域の境界部分からの散乱光および回折光の影響を取り除くため、受光素子アレイから出力される信号のうち、前記の散乱光および回折光を受光する領域からの信号を除去することを特徴とするものである。
In the ellipsometry system of the present invention, in order to remove the influence of scattered light and diffracted light from the boundary portion of each region of the wave plate array or polarizer array, the scattered light and It is characterized in that a signal from a region receiving diffracted light is removed.

本発明の偏光解析方法を利用することにより、波長板アレイと偏光子アレイを使用する新しい偏光解析装置によって観測される光強度分布から、入射光の偏光状態を高精度に解析することが可能となる。また、波長板アレイの位相差に設計値からのズレがある場合においても、ズレ量を補正することより正確な偏波状態を求めることが可能となる。 By using the polarization analysis method of the present invention, it is possible to analyze the polarization state of incident light with high accuracy from the light intensity distribution observed by a new polarization analyzer using a wave plate array and a polarizer array. Become. Further, even when there is a deviation from the design value in the phase difference of the wave plate array, it is possible to obtain an accurate polarization state by correcting the deviation amount.

本発明の偏光解析システムを実施するための装置の構成例を図4に示す。波長板アレイおよび偏光子アレイを用いた偏光解析装置401によって観測される光強度分布402をCPU403で受信し、その2次元パターン形状を解析する。この際、光強度分布のパターン形状の解析アルゴリズムとして、パターン形状を数学的にフィッティングする方法、もしくはパターンをフーリエ変換してその周波数成分を分析する方法のいずれかの方法を採用するか、またはそれら併用することにより、入射光の偏光状態を高精度に求めることができる。
An example of the configuration of an apparatus for implementing the ellipsometry system of the present invention is shown in FIG. The CPU 403 receives the light intensity distribution 402 observed by the polarization analyzer 401 using the wave plate array and the polarizer array, and analyzes the two-dimensional pattern shape. At this time, as an analysis algorithm for the pattern shape of the light intensity distribution, either a method of mathematically fitting the pattern shape or a method of analyzing the frequency component by Fourier transforming the pattern is adopted, or they are used. By using together, the polarization state of incident light can be obtained with high accuracy.

それぞれのパターン形状解析手法について説明する前に、受光素子アレイで観測されるパターン形状の特徴について簡単に解説する。本発明で使用する偏光解析装置で測定される光強度分布は図3の式303および式304でも示したように、入射光の楕円率(ε)と楕円の傾き(γ)の関数として表すことができる。ここで、楕円の傾き(γ)はある軸方向(この場合は水平方向)を基準として定義されたものであるが、基準軸の方向は任意である。従って、楕円の傾き(γ)を変化させることは、基準軸の取り方、即ち波長板アレイと偏光子アレイの各領域の配列順を変えることに相当する。例えば、図5に示したように、入射偏光の楕円率が一定(εの値は任意)の場合、楕円の傾きが0°の場合に偏光解析装置501を水平に配置した場合に得られる強度分布と、楕円の傾きが45度の場合に同じ偏光解析装置502を45°で配置した場合とでは、測定される結果は全く同じになる。偏光解析装置502は偏光解析装置503と同じものであり、これは偏光解析装置502の波長板アレイと偏光子アレイの配列順を代えた場合に相当する。つまり、入射光の偏波の傾きを変化させた場合、観測される強度分布パターンは面内を水平移動することになり、パターン凹凸形状そのものは変化しないことになる。例として、入射光の楕円率を一定(ε=0.5)とし、楕円の角度(γ)を0°、45°、90°と変化させた場合に測定される光強度分布を図6に示す。この結果からも、入射偏波の角度を変化させてもパターンの凹凸形状は変化せず、凹凸の位置だけが変化することがわかる。 Before explaining each pattern shape analysis method, the features of the pattern shape observed in the light receiving element array will be briefly explained. The light intensity distribution measured by the ellipsometer used in the present invention should be expressed as a function of the ellipticity (ε) and the inclination of the ellipse (γ) as shown in Equations 303 and 304 in FIG. Can do. Here, the inclination (γ) of the ellipse is defined with reference to a certain axial direction (in this case, the horizontal direction), but the direction of the reference axis is arbitrary. Therefore, changing the inclination (γ) of the ellipse corresponds to changing the order of the reference axis, that is, the arrangement order of the regions of the wavelength plate array and the polarizer array. For example, as shown in FIG. 5, when the ellipticity of incident polarized light is constant (the value of ε is arbitrary), the intensity obtained when the ellipsometer 501 is horizontally arranged when the inclination of the ellipse is 0 °. The measured results are exactly the same between the distribution and the case where the same ellipsometer 502 is arranged at 45 ° when the inclination of the ellipse is 45 degrees. The ellipsometer 502 is the same as the ellipsometer 503, which corresponds to a case where the arrangement order of the wave plate array and the polarizer array of the ellipsometer 502 is changed. That is, when the inclination of the polarization of incident light is changed, the observed intensity distribution pattern moves horizontally within the plane, and the pattern uneven shape itself does not change. As an example, the light intensity distribution measured when the ellipticity of incident light is constant (ε = 0.5) and the angle (γ) of the ellipse is changed to 0 °, 45 °, and 90 ° is shown in FIG. Show. From this result, it can be seen that even if the angle of the incident polarization is changed, the uneven shape of the pattern does not change, and only the position of the unevenness changes.

一方、入射光の楕円率を変化させた場合は、パターン形状が変化することは図2に示した結果からも明らかである。例として、入射光の傾きはγ=0°で一定とし、楕円率εを0(直線偏光)、0.2、0.5、1(右回り円偏光)と変化させた場合に、測定される光強度分布を図7に示す。入射光が直線偏光であった場合は、パターンは「船底型」の周期的な形状になるのに対し、楕円率が増すに連れてパターン形状が引き伸ばされ、円偏光の場合は直線的な周期形状となることがわかる。以上のことから、受光素子アレイで観測される光強度分布パターンの凹凸形状から入射偏光の楕円率(ε)が求めることができ、パターンの平面内での位置(座標)から入射偏光の傾き(γ)を求めることができる。 On the other hand, when the ellipticity of incident light is changed, it is clear from the results shown in FIG. 2 that the pattern shape changes. As an example, it is measured when the inclination of incident light is constant at γ = 0 ° and the ellipticity ε is changed to 0 (linearly polarized light), 0.2, 0.5, 1 (clockwise circularly polarized light). FIG. 7 shows the light intensity distribution. When the incident light is linearly polarized, the pattern has a “bottom-bottom” periodic shape, whereas the pattern shape is stretched as the ellipticity increases. It turns out that it becomes a shape. From the above, the ellipticity (ε) of the incident polarized light can be obtained from the uneven shape of the light intensity distribution pattern observed in the light receiving element array, and the inclination of the incident polarized light (coordinate) from the position (coordinates) in the plane of the pattern ( γ) can be obtained.

以下では、本発明のパターン形状解析手法である、強度分布パターンを数学的にフィッティングする手法と、パターンをフーリエ変換して各周波数成分を解析する手法について、それぞれ説明する。 Hereinafter, a method of mathematically fitting an intensity distribution pattern and a method of analyzing each frequency component by performing Fourier transform on the pattern, which are pattern shape analysis methods of the present invention, will be described.

はじめに、本発明の光強度分布のフィッティングによる偏波解析法の例として、測定される強度分布パターンの等高線形状を解析する偏光解析アルゴリズムについて説明する。強度分布の等高線形状は、測定される強度分布データから強度が等しくなる点を抜き出すことにより簡単に求めることができる。このとき、波長板アレイおよび偏光子アレイの分割数が少ない場合は、より正確な等高線形状を得るために、測定されるとびとびの値をフィッティング計算により補間して滑らかな強度分布を求めた後に等高線形状を算出する方法が有効である。等高線は図6および図7で示したように、測定される強度分布パターンの全域について求めても良いが、パターンの特徴が最も良く現れる明点付近や暗点付近のみについて求めても構わない。このようして求めた等高線の形状と位置を分析できれば、前述のように入射光の偏光状態を求めることができる。ここでは、等高線の形状解析手法の例として、パターン暗点(最小値)付近の等高線形状の傾きおよび位置を解析する方法と、予め用意しておいたパターンのデータベースとの比較を行う方法について簡単に説明する。
First, as an example of the polarization analysis method by fitting the light intensity distribution of the present invention, a polarization analysis algorithm for analyzing the contour line shape of the measured intensity distribution pattern will be described. The contour shape of the intensity distribution can be easily obtained by extracting points where the intensity becomes equal from the measured intensity distribution data. At this time, if the number of divisions of the wave plate array and the polarizer array is small, in order to obtain a more accurate contour line shape, the contour line is obtained after interpolating the measured jump value by fitting calculation to obtain a smooth intensity distribution. A method for calculating the shape is effective. As shown in FIG. 6 and FIG. 7, the contour lines may be obtained for the entire region of the measured intensity distribution pattern, but may be obtained only for the vicinity of the bright spot or the dark spot where the pattern characteristics are most apparent. If the shape and position of the contour line thus obtained can be analyzed, the polarization state of the incident light can be obtained as described above. Here, as an example of the contour line shape analysis method, a method for analyzing the inclination and position of the contour line shape near the pattern dark spot (minimum value) and a method for comparing the prepared pattern database with a simple method will be described. Explained.

まず、等高線の傾きおよび位置を検出する方法について説明する。例として、先に図2および図6で示した、入射光が直線偏光(ε=0)の場合と右回り円偏光の場合(ε=1)、および右回り楕円偏光(ε=0.5)の場合について、観測される強度分布パターンの暗点付近のみの等高線を描いた結果を図8にまとめて示す。一般的に波長板アレイおよび偏光子アレイの主軸角度範囲が0°から180°の場合、暗点は面内に2箇所存在するが、図8では混乱を避けるため、代表的な暗点付近の等高線のみを表示した。図からもわかるが、暗点付近の等高線形状はほぼ楕円形となり、その形状は式801のように表現することができる。ただし、ここでA、B、CおよびDは定数である。この暗点の位置は入射偏波の楕円率(ε)が一定の場合は、楕円率(ε)によって決まる特定の直線上に存在することがわかる。例えば、直線偏光(ε=1)の光の場合は直線P−p上、右回りの円偏光の場合は直線Q−q上またはQ′−q′上に暗点が存在し、ε=0.5の楕円偏光の場合の暗点位置は直線R−r上またはR′−r′上に存在する。また図では等高線を表示しなかったが、左回りの円偏光が入射した場合の暗点位置は右回りのときと対称に直線S−sまたはS′−s′上に存在する。入射偏光の傾き(γ)が変化した場合、暗点位置は楕円率(ε)で決まる上記の直線上を移動する。 First, a method for detecting the slope and position of contour lines will be described. As an example, as shown in FIGS. 2 and 6, the incident light is linearly polarized light (ε = 0), clockwise circularly polarized light (ε = 1), and clockwise elliptically polarized light (ε = 0.5). 8), the results of drawing contour lines only in the vicinity of the dark spot of the observed intensity distribution pattern are shown together in FIG. In general, when the principal axis angle range of the wave plate array and the polarizer array is 0 ° to 180 °, there are two dark spots in the plane. However, in FIG. Only contour lines are shown. As can be seen from the figure, the contour line shape near the dark spot is almost elliptical, and the shape can be expressed as in Expression 801. Here, A, B, C and D are constants. It can be seen that the position of this dark spot is on a specific straight line determined by the ellipticity (ε) when the ellipticity (ε) of the incident polarization is constant. For example, in the case of linearly polarized light (ε = 1), a dark spot exists on the straight line Pp, and in the case of clockwise circularly polarized light, a dark spot exists on the straight line Qq or Q′-q ′, and ε = 0. The dark spot position for elliptical polarized light of .5 exists on the straight line R-r or R'-r '. Although no contour lines are displayed in the figure, the dark spot position when the counterclockwise circularly polarized light is incident exists on the straight line Ss or S′-s ′ symmetrically with the clockwise direction. When the inclination (γ) of the incident polarized light changes, the dark spot position moves on the straight line determined by the ellipticity (ε).

さらに、暗点付近の等高線として得られる楕円の傾きは入射光の楕円率によって変化することもわかる。円偏光の場合の等高線は楕円が無限に細長くなった極限としての直線形状となるが、最小値の軌跡の傾きは1であり、楕円率か小さくなるにつれて等高線の楕円の傾きが小さくなる。このことを利用して、入射光の偏光状態を求めることもできる。いずれにせよ、偏光解析装置によって観測される強度分布パターンの等高線形状を先ほどの式801によってフィッティングできれば、その傾きや位置を正確に求めることが可能であるため、入射光の偏光状態(εおよびγ)を正確に求めることが可能となる。 It can also be seen that the slope of the ellipse obtained as a contour line near the dark spot varies with the ellipticity of the incident light. The contour line in the case of circularly polarized light has a linear shape as the limit where the ellipse becomes infinitely long, but the inclination of the locus of the minimum value is 1, and the inclination of the ellipse of the contour line decreases as the ellipticity decreases. By utilizing this fact, the polarization state of incident light can also be obtained. In any case, if the contour shape of the intensity distribution pattern observed by the ellipsometer can be fitted by the above equation 801, its inclination and position can be obtained accurately, so that the polarization state of incident light (ε and γ ) Can be obtained accurately.

等高線の形状解析手法のもう一つの例として、求めたパターン形状をデータベースと比較する手法を図9に示す。この場合は、予め様々な偏波状態に対応したパターン形状をデータベース化しておき、偏光解析装置901によって測定された強度分布パターンを、CPU902によって等高線データへ変換し、データベース903に蓄積されたパターン形状との比較を行い、一致するデータを検索することにより入射光の偏光状態を求める。もちろん、既に述べた等高線の位置および傾き検出の手法とデータベースとの比較の手法とを同時に行って、より正確な偏光解析を行うことも可能である。 As another example of the contour line shape analysis method, a method of comparing the obtained pattern shape with a database is shown in FIG. In this case, pattern shapes corresponding to various polarization states are stored in a database in advance, the intensity distribution pattern measured by the polarization analyzer 901 is converted into contour data by the CPU 902, and the pattern shapes stored in the database 903 are stored. The polarization state of the incident light is obtained by searching for matching data. Of course, it is also possible to perform more accurate polarization analysis by simultaneously performing the method for detecting the position and inclination of the contour lines described above and the method for comparing with the database.

次に、本発明の測定される強度分布パターンをフーリエ変換して、その周波数成分を求める偏光解析アルゴリズム(フーリエ解析法)について説明する。本発明で使用する偏光解析装置で測定される光強度分布の式をもう一度記述すると、図10の式1001および式1002のようになる。この式を変形して入射光強度で規格化すると、式1003が得られる。ここで、簡単のために2φ=Φ、2θ=Θと置き換えた。式1003は測定される2次元の強度分布がΦ、2Θ―Φ、Θ―Φの3つの周波数成分からなることを示している。それぞれの周波数成分を式1003に示したように、X、Y、Zとおいた場合、入射光が直線偏光(ε=0)の場合はZ=0となり、直線偏光(ε=1)の場合はX=Y=0となることがわかる。また、入射偏光の傾き(γ)はXおよびYの位相として表れることから、γが変化した場合も各周波数成分の振幅、つまり強度分布の形状は変化しないことが分り、これは先に述べた結果と一致する。
Next, a polarization analysis algorithm (Fourier analysis method) for obtaining a frequency component by Fourier-transforming the measured intensity distribution pattern of the present invention will be described. When the expression of the light intensity distribution measured by the ellipsometer used in the present invention is described once again, the expression 1001 and the expression 1002 in FIG. 10 are obtained. When this equation is modified and normalized by the incident light intensity, an equation 1003 is obtained. Here, 2φ = Φ and 2θ = Θ are replaced for simplicity. Equation 1003 indicates that the measured two-dimensional intensity distribution is composed of three frequency components Φ, 2Θ−Φ, and Θ−Φ. When the respective frequency components are X, Y, and Z as shown in Expression 1003, Z = 0 when the incident light is linearly polarized light (ε = 0), and when the incident light is linearly polarized light (ε = 1). It can be seen that X = Y = 0. Further, since the inclination (γ) of the incident polarized light appears as the phases of X and Y, it can be seen that the amplitude of each frequency component, that is, the shape of the intensity distribution does not change even when γ changes. Match the result.

式1003より、偏光解析装置で観測される強度分布をフーリエ変換することで、そのスペクトルを計算し、各周波数成分の振幅と位相を求めることができれば、入射光の偏光状態を正確に求められることがわかる。つまり各周波数成分X、Y、Zの値が分った場合、入射偏光の傾き(γ)は式1004で示したように、XもしくはYの位相の値の1/2として求めることができ、入射光の楕円率(ε)はZの振幅の値から式1005のように求めることができる。 From Equation 1003, if the spectrum is calculated by Fourier transforming the intensity distribution observed by the ellipsometer, and the amplitude and phase of each frequency component can be obtained, the polarization state of the incident light can be accurately obtained. I understand. That is, when the values of the frequency components X, Y, and Z are known, the slope (γ) of the incident polarization can be obtained as ½ of the value of the X or Y phase, as shown in Expression 1004. The ellipticity (ε) of incident light can be obtained from the amplitude value of Z as shown in Expression 1005.

フーリエ変換による偏光解析の例として、入射偏波の楕円率が変化した場合と傾きが変化した場合(図6、図7)について、受光素子アレイによって観測される強度分布と、その強度分布をフーリエ変換した結果、およびフーリエ変換により求められた各周波数成分から入射偏光状態を逆算した結果を図11と図12に示す。図の結果は偏光解析装置の波長板アレイおよび偏光子アレイは64分割とし、主軸角度を0°から180°まで(正確には177.1875°まで)を2.8125°ずつ変化させた場合の強度分布について解析したものである。また、フーリエ変換により求めた各周波数成分は入射光強度によって規格化されている。結果からも明らかなように、得られる各周波数成分の値から逆算した偏光状態は、入射偏光と一致することがわかる。 As an example of polarization analysis by Fourier transform, the intensity distribution observed by the light receiving element array and the intensity distribution are Fourier-transformed when the ellipticity of the incident polarization changes and when the inclination changes (FIGS. 6 and 7). FIG. 11 and FIG. 12 show the result of the conversion and the result of back-calculating the incident polarization state from each frequency component obtained by Fourier transform. The results in the figure show that the wavelength plate array and polarizer array of the ellipsometer are divided into 64, and the main axis angle is changed from 0 ° to 180 ° (exactly 177.1875 °) by 2.8125 °. This is an analysis of the intensity distribution. Each frequency component obtained by Fourier transform is normalized by the incident light intensity. As is clear from the results, it can be seen that the polarization state calculated backward from the value of each frequency component obtained matches the incident polarization.

しかしながら実際の偏光解析装置では、外部からの迷光の影響のほか、さまざまな電気的なノイズが原因となって、測定される強度分布に雑音が重畳される。また、受光素子アレイの光応答に非線形性がある場合には、正しい強度分布が得られないことになる。従って、上記のフィッティング計算やフーリエ解析だけでは求められる偏光状態の誤差が大きい場合があり得る。このような場合においても等高線解析法とフーリエ解析法の両方を併用することにより、より高精度な偏光解析を実現することが可能となる。例えば、雑音の含まれる強度分布パターンのフーリエ解析の結果から、パターンの暗点付近のパターン形状についての1次近似値を求め、その近似値を用いてサンプル値をフィッティングすることで、正確な等高線形状求めることができれば、入射光の偏光状態を高精度に求めることができる。
However, in an actual ellipsometer, noise is superimposed on the measured intensity distribution due to various electrical noises in addition to the influence of stray light from the outside. In addition, when the light response of the light receiving element array has nonlinearity, a correct intensity distribution cannot be obtained. Therefore, there may be a case where a large error in polarization state is obtained only by the above-described fitting calculation or Fourier analysis. Even in such a case, it is possible to realize more accurate polarization analysis by using both the contour analysis method and the Fourier analysis method in combination. For example, from the result of Fourier analysis of the intensity distribution pattern including noise, a first-order approximation value for the pattern shape near the dark spot of the pattern is obtained, and the sample value is fitted using the approximation value so that accurate contour lines are obtained. If the shape can be obtained, the polarization state of the incident light can be obtained with high accuracy.

また、偏光解析装置の雑音対策としては、等高線解析やフーリエ解析法による偏光解析方法と、従来からの偏光解析法であるパターンの最大値(明点)もしくは最小値(暗点)の位置を検出する方法(消光法)を併用して持いる方法も有効である。先にも述べたように、消光法は非常にシンプルな偏波解析方法であり、強度分布パターンの内の1点(例えば最小点)の座標情報から瞬時に入射偏光の状態を求めることがきる。これを利用して例えば図13の(c)および(d)に示したように、観測された強度分布パターン全体をフーリエ解析することによって得られる暗点の1次近似的な位置および暗点付近の強度分布2次曲線の形状の情報を利用して、暗点付近の強度分布パターンを観測されたサンプル値と正確にフィッティングし、暗点の位置に関する第2次の近似値を精度良く求めることができれば、(b)のように何の情報も持たずにサンプル点のフィッティングを行う場合と比較して、非常に高精度な偏光解析が可能となる。(実際には測定データは2次元の情報であるが、図13では簡単のため1次元の場合を示した。)さらに、パターン全体の形状を解析する場合は、最大値においても受光素子アレイが飽和しないよう考慮して光強度および測定時間(ゲート時間)を決定し、最小値(暗点)に注目するときは最大値の飽和を気にする必要がないため、比較的長い時間をかけてS/Nの高いデータを取得することも可能となる。このような手法によって、暗点付近の形状について、より精度の高いフィッティングが可能となり、入射偏波の測定精度を向上させることができる。 In addition, as a noise countermeasure of the ellipsometer, it detects the position of the maximum value (bright point) or the minimum value (dark point) of the pattern, which is the ellipsometry method using contour analysis or Fourier analysis, and the conventional ellipsometry method. It is also effective to use a method (quenching method) in combination. As described above, the extinction method is a very simple polarization analysis method, and the state of incident polarization can be obtained instantaneously from the coordinate information of one point (for example, the minimum point) in the intensity distribution pattern. . Using this, for example, as shown in FIGS. 13C and 13D, the first approximate position of the dark spot obtained by Fourier analysis of the entire observed intensity distribution pattern and the vicinity of the dark spot Using the information of the shape of the intensity distribution quadratic curve, the intensity distribution pattern in the vicinity of the dark spot is accurately fitted to the observed sample value, and the second-order approximate value regarding the position of the dark spot is accurately obtained. If it is possible, the polarization analysis can be performed with very high accuracy as compared with the case of fitting the sample points without having any information as in (b). (Actually, the measurement data is two-dimensional information, but FIG. 13 shows a one-dimensional case for the sake of simplicity.) Further, when analyzing the shape of the entire pattern, the light receiving element array is also at the maximum value. Determine the light intensity and measurement time (gate time) in consideration of not saturating, and when paying attention to the minimum value (dark spot), it is not necessary to worry about saturation of the maximum value, so take a relatively long time. It is also possible to acquire data with a high S / N. By such a method, it is possible to perform fitting with higher accuracy for the shape near the dark spot, and to improve the measurement accuracy of incident polarization.

(実施例1)
本発明で使用する波長板アレイおよび偏光子アレイを用いた新方法の偏光解析装置は、駆動部がないため信頼性が高く、また従来の装置と比較して測定時間の飛躍的な短縮が可能であるなどの利点を有している。また、フォトニック結晶を利用することにより、十分に小型のデバイスを実現できるだけでなく、各アレイの主軸方向については非常に高精度な制御も可能となる。しかしながら、波長板アレイの位相差(リターデーション)については、詳細なプロセス制御を行った場合も、理想的な値である1/4波長(π/2ラジアン)と厳密に一致させることは難しい。フォトニック結晶の構造および作成方法を考慮すると、プロセスに分布がなければ、波長板アレイの各波長板領域の位相差は、設計値からのズレがある場合も全ての領域で一定の値となることが予想される。
(Example 1)
The new ellipsometer using the waveplate array and polarizer array used in the present invention has high reliability because it does not have a drive unit, and can significantly reduce the measurement time compared to conventional devices. It has advantages such as. In addition, by using a photonic crystal, not only a sufficiently small device can be realized, but also the direction of the main axis of each array can be controlled with very high accuracy. However, the phase difference (retardation) of the wave plate array is difficult to exactly match the ideal value of ¼ wavelength (π / 2 radians) even when detailed process control is performed. If the structure of the photonic crystal and the preparation method are taken into account, if there is no distribution in the process, the phase difference of each waveplate area of the waveplate array will be a constant value in all areas even if there is a deviation from the design value It is expected that.

このような波長板アレイの位相差ズレを補正する方法第1の実施例を図14に示す。これは、偏光解析装置にある特定の偏波状態の光を入射したときに観測される強度分布情報から波長板の位相差を求め、そのズレを補正するものである。例として、グラントムソンプリズムなどの消光比の高い偏光子1401を用いて、偏光解析装置1402に直線偏波光を入射する場合について考える。(このとき偏波の傾き角度は任意である。)このとき、偏光解析装置内の波長板アレイの位相差が70°の場合と90°の場合、および110°の場合に観測される光強度分布を示した。既に何度も述べたように、直線偏波光が入射した場合の強度分布パターンは「船底型」の形状となるが、図からもわかるように、船底の楕円形状(楕円率)は波長板アレイの位相差によって変化する。従って、偏光解析装置に直線偏波の光を入射した場合に得られる強度分布パターンの形状を解析することにより、波長板アレイの位相差ズレを正確に評価できることになる。ここで、直線偏波光を入射した場合に観測されるパターンを解析する手法としては、先に述べた等高線解析法やフーリエ解析法を用いることができる。
It shows a first embodiment of a method for correcting a phase difference shift of such a wavelength plate array 14. This is to obtain the phase difference of the wavelength plate from the intensity distribution information observed when light in a specific polarization state is incident on the ellipsometer, and correct the deviation. As an example, consider a case where linearly polarized light is incident on the polarization analyzer 1402 using a polarizer 1401 having a high extinction ratio such as a Glan-Thompson prism. (At this time, the tilt angle of the polarization is arbitrary.) At this time, the light intensity observed when the phase difference of the wave plate array in the ellipsometer is 70 °, 90 °, and 110 °. Distribution was shown. As already mentioned many times, the intensity distribution pattern when linearly polarized light is incident has a “bottom-bottom” shape. As can be seen from the figure, the elliptical shape (ellipticity) of the bottom is a waveplate array. Varies depending on the phase difference. Therefore, by analyzing the shape of the intensity distribution pattern obtained when linearly polarized light is incident on the polarization analyzer, the phase difference deviation of the wavelength plate array can be accurately evaluated. Here, as a method of analyzing a pattern observed when linearly polarized light is incident, the above-described contour analysis method or Fourier analysis method can be used.

(実施例2)
波長板アレイの位相差ズレを補正する方法第2の実施例を図15に示す。偏光解析装置1501に任意の偏光状態の光を入射し、観測される光強度分布をCPU1502によりフーリエ変換する。このとき、フーリエ変換で得られる各周波数成分を式1503に示す。各周波数成分を先ほどと同じようにX、Y、Zとおいた場合、波長板アレイの各波長板領域の位相差(α)は式1504によって求めることができる。つまり、強度分布形状の解析にフーリエ変換を採用する場合は、フーリエ変換によって求められる各周波数成分の値から、既に述べたように入射光の楕円率(ε)および偏波の傾き(γ)だけでなく、波長板の位相差(α)の値も同時に求められることになる。
(Example 2)
FIG. 15 shows a second embodiment of the method for correcting the phase difference deviation of the wave plate array. Light of an arbitrary polarization state is incident on the ellipsometer 1501, and the observed light intensity distribution is Fourier transformed by the CPU 1502. At this time, each frequency component obtained by Fourier transform is shown in Expression 1503. When each frequency component is set to X, Y, and Z as before, the phase difference (α) of each wave plate region of the wave plate array can be obtained by Expression 1504. In other words, when Fourier transform is used to analyze the intensity distribution shape, only the ellipticity (ε) and polarization slope (γ) of the incident light are already calculated from the values of each frequency component obtained by the Fourier transform. In addition, the value of the phase difference (α) of the wave plate is also obtained at the same time.

以上のように、本発明の偏光解析方法では、波長板アレイの位相差はアレイの全領域にわたって一定(均一)でさえあれば、位相差の大きさは問題とならない。たとえ、位相差の値がどのような値をとった場合でも(α=0°の場合を除く)、測定される強度分布パターンを解析することにより、位相差のズレを正確に評価することができ、正しい入射偏光の値を求めることができる。これは、従来の単一の波長板や偏光子を用いるエリプソメータと比較して非常に有利な点である。たとえば、従来のエリプソメータで採用されている消光法では、使用する波長板の位相差が1/4波長から少しでもずれた場合、特定の偏波状態の光が入射した場合には、偏光子や波長板を回転させても完全に消光する点が存在しなくなるため、正確な偏波の解析が不可能になってしまう。 As described above, in the ellipsometry method of the present invention, the magnitude of the phase difference does not matter as long as the phase difference of the waveplate array is constant (uniform) over the entire area of the array. Even if the value of the phase difference is any value (except when α = 0 °), the deviation of the phase difference can be accurately evaluated by analyzing the measured intensity distribution pattern. The correct incident polarization value can be obtained. This is a great advantage compared to the conventional ellipsometer using a single wave plate or polarizer. For example, in the extinction method employed in the conventional ellipsometer, when the phase difference of the wave plate used is slightly deviated from the quarter wavelength, when light in a specific polarization state is incident, Even if the wave plate is rotated, there is no point at which it is completely extinguished, so that accurate polarization analysis becomes impossible.

(実施例3)
本発明で使用する偏光解析装置の波長板アレイおよび偏光子アレイは、異なる領域を複数個配列したものであるため、それぞれの領域の境界部分は不連続となり、光の散乱や回折が発生する。散乱光および回折光は信号処理の上では雑音となって現れ、偏光解析の精度を劣化させる要因となる。このため、精度の高い装置を実現するために、偏光解析装置に使用する波長板アレイや偏光子アレイ、または受光素子アレイに遮光領域を配置し、散乱光や回折光が受光されないようにするような手法もあるが(特許文献1)、そのような遮光構造を用いることなく散乱光や回折光の影響を取り除く手法として信号処理方法の実施例を図16に示す。
(Example 3)
Since the wavelength plate array and the polarizer array of the ellipsometer used in the present invention are arranged in a plurality of different regions, the boundary portions between the regions are discontinuous, and light scattering and diffraction occur. Scattered light and diffracted light appear as noise in signal processing and cause deterioration in the accuracy of ellipsometry. For this reason, in order to realize a highly accurate device, a light shielding region is arranged in the wave plate array, polarizer array, or light receiving element array used in the ellipsometer so that scattered light and diffracted light are not received. FIG. 16 shows an example of a signal processing method as a method for removing the influence of scattered light and diffracted light without using such a light shielding structure.

波長板アレイ1601および偏光子アレイ1602を通過した光が受光素子アレイ1603に入射される。受光素子アレイとして、一般的なCCDを用いると仮定した場合、単一の受光素子のサイズは数μm程度であり波長板アレイおよび偏光子アレイの各領域のサイズと比較して十分小さい。従って、波長板アレイと偏光子アレイの交差によって作られる各領域を通過した光を受光する受光素子領域には、それぞれ複数の受光素子が存在することになる。これらの受光素子から出力される電気信号のうち、波長板アレイおよび偏光子アレイの境界部分からの散乱光や回折光を含む光を受光する領域1604から出力される信号を用いず、散乱光や回折光の影響のない光を受光する領域1605から出力される信号だけを合計または平均することによって各領域の光強度を求めれば、高い精度での偏光解析が実現されることとなる。図では、信号を使用しない領域1604を各領域の上下に受光素子1列分取ったが、領域の取り方や大きさは任意であり、偏光解析装置の構造によって変わる。このような信号処理方法はCPUにより、非常に簡単にかつ高速に計算できるため、偏光測定精度の向上に非常に有効な手法である。 Light that has passed through the wave plate array 1601 and the polarizer array 1602 enters the light receiving element array 1603. Assuming that a general CCD is used as the light receiving element array, the size of a single light receiving element is about several μm, which is sufficiently smaller than the size of each region of the wave plate array and the polarizer array. Therefore, there are a plurality of light receiving elements in each light receiving element region that receives light that has passed through each region formed by the intersection of the wave plate array and the polarizer array. Of the electrical signals output from these light receiving elements, the signals output from the region 1604 that receives scattered light and light including diffracted light from the boundary between the wave plate array and the polarizer array are not used. If the light intensity of each region is obtained by summing or averaging only the signals output from the region 1605 that receives light that is not affected by diffracted light, polarization analysis with high accuracy can be realized. In the figure, regions 1604 where no signal is used are taken for one row of light receiving elements above and below each region, but the manner and size of the regions are arbitrary, and vary depending on the structure of the ellipsometer. Such a signal processing method can be calculated very easily and at high speed by the CPU, and is a very effective method for improving the accuracy of polarization measurement.

波長板アレイと偏光子アレイと用いる偏光解析装置の構成を示す概念図Conceptual diagram showing the configuration of an ellipsometer used with a waveplate array and a polarizer array 図1の偏光解析装置により観測される光強度分布の例Example of light intensity distribution observed by the ellipsometer of FIG. 偏光解析装置で観測される光強度分布の理論式Theoretical formula of light intensity distribution observed by ellipsometer 強度分布パターンを解析する偏光解析システムの構成例Configuration example of ellipsometry system for analyzing intensity distribution pattern 入射偏波の傾きと観測される強度分布パターンの関係を示す概念図Conceptual diagram showing the relationship between the slope of the incident polarization and the observed intensity distribution pattern 観測される強度分布パターンの例(入射偏波の楕円率との関係)Example of observed intensity distribution pattern (Relationship with ellipticity of incident polarization) 観測される強度分布パターンの例(入射偏波の傾きとの関係)Example of observed intensity distribution pattern (Relationship with slope of incident polarization) 観測される強度分布パターンの暗点付近の等高線形状を示す図The figure which shows the contour line shape near the dark spot of the observed intensity distribution pattern パターン形状をデータベースと比較する偏光解析方法を示す概念図Conceptual diagram showing the ellipsometry method for comparing pattern shapes with a database 観測される強度分布パターンの周波数成分を求める計算式Formula to find the frequency component of the observed intensity distribution pattern 強度分布パターンのフーリエ解析のシミュレーション結果―その1Simulation results of Fourier analysis of intensity distribution pattern-Part 1 強度分布パターンのフーリエ解析のシミュレーション結果―その2Simulation results of Fourier analysis of intensity distribution pattern-Part 2 フーリエ解析と暗点検出法を併用するパターン解析アルゴリズムの例Example of pattern analysis algorithm using both Fourier analysis and dark spot detection 波長板アレイの位相差ズレを補正する方法の第1の実施例を示す図The figure which shows 1st Example of the method of correct | amending the phase difference deviation of a waveplate array 波長板アレイの位相差ズレを補正する方法の第2の実施例を示す図The figure which shows the 2nd Example of the method of correct | amending the phase-difference of a wavelength plate array. アレイの境界部分による影響を除去する信号処理方式を示す図Diagram showing the signal processing method for removing the influence of the boundary of the array

符号の説明Explanation of symbols

101 それぞれの領域の主軸角度が違う波長板アレイ
102 それぞれの領域の主軸角度が違う偏光子アレイ
103 受光素子アレイ
301 波長板と偏光子を通過後の偏光状態を表すジョーンズベクトルの計算式−1
302 入射光の偏光状態を示すジョーンズベクトルの式
303 波長板と偏光子を通過後の偏光状態を表すジョーンズベクトルの計算式−2
304 受光素子アレイが感じる光強度分布を表す式
401 波長板アレイおよび偏光子アレイを用いた駆動部のない偏光解析装置
402 偏光解析装置によって観測される強度分布パターン
403 パターン解析用CPU
501 偏光解析装置(0°)
502 偏光解析装置(45°)
503 偏光解析装置501の各アレイの配列順を変更した偏光解析装置
801 暗点付近の等高線形状を表す式
901 波長板アレイおよび偏光子アレイを用いた駆動部のない偏光解析装置
902 観測される光強度分布
903 パターン解析用CPU
904 パターン形状比較用のデータベース
1001 波長板と偏光子を通過後の偏光状態を表すジョーンズベクトル
1002 受光素子アレイが感じる光強度分布を表す式
1003 光強度分布の周波数成分を表す式
1004 パターンの各周波数成分から、入射偏波の傾き(γ)を求める計算式
1005 パターンの各周波数成分から、入射偏波の楕円率(ε)を求める計算式
1402 消光比の高い偏光子
1402 波長板の位相差の値が不明な偏光解析装置
1501 波長板の位相差の値が不明な偏光解析装置
1502 パターン解析用CPU
1503 パターンのフーリエ変換によって求められる各周波数成分
1504 パターンの周波数成分から波長板お位相差の値を求める計算式
1601 波長板アレイ
1602 偏光子アレイ
1603 受光素子アレイ
1604 アレイの境界部分による回折光および散乱光を受光する受光素子領域
1605 アレイの境界部分の影響を受けない受光素子領域
101 Wavelength plate array 102 having different principal axis angles in each region Polarizer array 103 having different principal axis angles in each region Photodetector array 301 Formula for calculating a Jones vector representing a polarization state after passing through the wavelength plate and the polarizer-1
302 Jones vector expression indicating polarization state of incident light 303 Jones vector calculation expression indicating polarization state after passing through wave plate and polarizer-2
304 Expression 401 representing light intensity distribution sensed by light receiving element array Polarization analyzer 402 without drive unit using wavelength plate array and polarizer array Intensity distribution pattern 403 observed by polarization analyzer CPU for pattern analysis
501 Ellipsometer (0 °)
502 Ellipsometer (45 °)
503 Polarization analyzer 801 in which the arrangement order of each array of the ellipsometer 501 is changed. Expression 901 representing a contour line shape near the dark spot. Polarization analyzer 902 having no drive unit using a wavelength plate array and a polarizer array. Intensity distribution 903 Pattern analysis CPU
904 Database for pattern shape comparison 1001 Jones vector 1002 representing polarization state after passing through wave plate and polarizer 1002 representing light intensity distribution perceived by light receiving element array 1003 representing frequency component of light intensity distribution 1004 Each frequency of pattern Calculation formula 1005 for calculating the inclination (γ) of the incident polarization from the components Calculation formula 1402 for calculating the ellipticity (ε) of the incident polarization from each frequency component of the pattern 1402 Polarizer 1402 having a high extinction ratio The phase difference of the wave plate Polarization analyzer 1501 with unknown value Polarization analyzer 1502 with unknown phase difference value of wavelength plate CPU for pattern analysis
1503 Each frequency component obtained by Fourier transform of pattern 1504 Calculation formula 1601 for obtaining the value of the phase difference of the wave plate from the frequency component of the pattern Wave plate array 1602 Polarizer array 1603 Light receiving element array 1604 Diffracted light and scattering by the boundary portion of the array Light receiving element region 1605 for receiving light The light receiving element region not affected by the boundary of the array

Claims (4)

偏光解析装置と、コンピュータとを有する偏光解析システムであって、

前記偏光解析装置は、
位相差が一定で光軸方向が異なる複数の波長板を有する波長板アレイと、
前記波長板アレイを透過した光が入射する偏光子アレイであって、透過する偏波の方向が異なる複数の偏光子を有する偏光子アレイと、
前記波長板アレイのある波長板を通過し、かつ前記偏光子アレイのある偏光子を通過した光を個別に受光することのできる受光素子アレイと、を有し、

前記偏光解析装置は、
前記波長板アレイに含まれる波長板の光軸の角度を第1の軸とし、
前記偏光子アレイに含まれる偏光子の透過する偏波の角度を第2の軸としたときに、
前記第1の軸及び前記第2の軸によって構成される座標上に、前記受光子アレイにより観測された光の強度を当てはめ、光強度分布を出力し、

前記コンピュータは、前記偏光解析装置から出力される前記光強度分布を受信し、受信した光強度分布を用いて入射光の偏光状態を求める、

偏光解析システム。
An ellipsometry system having an ellipsometer and a computer,

The ellipsometer is
A wave plate array having a plurality of wave plates having a constant phase difference and different optical axis directions ;
A polarizer array on which light transmitted through the wave plate array is incident, and a polarizer array having a plurality of polarizers having different directions of transmitted polarization ;
The passes through the wavelength plate with a wave plate array and having a light-receiving element array capable of receiving individual light passed through the polarizer with the polarizer array,

The ellipsometer is
The angle of the optical axis of the wave plate included in the wave plate array is a first axis,
When the angle of polarization transmitted by the polarizer included in the polarizer array is the second axis,
Fit the light intensity observed by the photoreceiver array on the coordinates constituted by the first axis and the second axis, and output a light intensity distribution;

The computer receives the light intensity distribution output from the ellipsometer, and determines the polarization state of incident light using the received light intensity distribution.

Ellipsometry system.
前記コンピュータは、  The computer
さらに、    further,
前記光強度分布を用いて光強度分布の等高線を求める光強度分布算出手段と、    A light intensity distribution calculating means for obtaining a contour line of the light intensity distribution using the light intensity distribution;
前記光強度分布算出手段が求めた光強度分布の等高線から、光強度がもっとも弱い位置である明点、又は光強度がもっとも強い位置である暗点を求める明暗点算出手段と、    From the contours of the light intensity distribution obtained by the light intensity distribution calculating means, a light spot that is the position where the light intensity is the weakest, or a light and dark point calculating means that obtains the dark spot that is the position where the light intensity is the strongest,
前記明暗点算出手段が求めた明点又は暗点付近における等高線の傾きを求める等高線の傾き算出手段と、    A contour slope calculating means for obtaining a slope of a contour line in the vicinity of a bright spot or a dark spot obtained by the bright spot calculation means;
データベースであって、偏光状態ごとに明点又は暗点の位置に関する情報を記憶するとともに、偏光状態ごとに明点又は暗点近辺の等高線の傾きを記憶するものと、    A database for storing information on the position of the bright point or dark spot for each polarization state, and storing the slope of the contour line near the bright point or dark point for each polarization state;
明点又は暗点の位置、及び明点又は暗点近辺の等高線の傾きのパターンを比較するパターン比較手段と、    Pattern comparison means for comparing the position of the bright spot or dark spot and the pattern of the slope of the contour line near the bright spot or dark spot;
を具備し、  Comprising
前記偏光解析装置から出力された前記光強度分布を受信し、  Receiving the light intensity distribution output from the ellipsometer;
前記光強度分布算出手段が、受信した前記光強度分布を用いて光強度分布の等高線を求め、  The light intensity distribution calculating means obtains a contour line of the light intensity distribution using the received light intensity distribution,
前記明暗点算出手段が、前記光強度分布算出手段が求めた光強度分布の等高線から、光強度がもっとも弱い位置である明点、又は光強度がもっとも強い位置である暗点を求め、  The light / dark point calculating means obtains a light point where the light intensity is the weakest, or a dark point where the light intensity is the strongest, from the contour lines of the light intensity distribution obtained by the light intensity distribution calculating means,
前記等高線の傾き算出手段が、前記明暗点算出手段が求めた明点又は暗点付近における等高線の傾きを求め、  The contour line slope calculating means obtains the slope of the contour line in the vicinity of the bright spot or dark spot obtained by the bright spot calculation means,
前記パターン比較手段が、  The pattern comparison means is
前記データベースが記憶する、偏光状態ごとに明点又は暗点の位置及び明点又は暗点近辺の等高線の傾きを含むパターンと    The pattern stored in the database includes the position of a bright spot or dark spot and the slope of a contour line near the bright spot or dark spot for each polarization state;
前記明暗点算出手段が求めた明点又は暗点の位置及び前記等高線の傾き算出手段が求めた明点又は暗点付近における等高線の傾きを含むパターンと、を比較し、    Compare the position of the bright point or dark point obtained by the light / dark point calculating means and the pattern containing the slope of the contour line near the bright point or dark point obtained by the contour slope calculating means,

これにより、受信した光強度分布を用いて入射光の偏光状態を求める、    This determines the polarization state of the incident light using the received light intensity distribution.

請求項1に記載の偏光解析システム。  The ellipsometry system according to claim 1.
前記コンピュータは、The computer
さらに、    further,
光強度分布を用いて光強度分布の等高線を求める光強度分布算出手段と、    A light intensity distribution calculating means for obtaining a contour line of the light intensity distribution using the light intensity distribution;
データベースであって、偏光状態ごとに等高線形状のパターンを記憶するものと、    A database for storing a contour pattern for each polarization state;
等高線形状のパターンを比較するパターン比較手段と、    Pattern comparison means for comparing contour line-shaped patterns;
を具備し、  Comprising

前記コンピュータは、  The computer
前記偏光解析装置から出力された前記光強度分布を受信し、    Receiving the light intensity distribution output from the ellipsometer;
前記光強度分布算出手段が、受信した前記光強度分布を用いて光強度分布の等高線を算出し、    The light intensity distribution calculating means calculates a contour line of the light intensity distribution using the received light intensity distribution,
前記データベースが記憶する偏光状態ごとの等高線形状のパターンを読み出し、    Read out the contour pattern for each polarization state stored in the database,
前記パターン比較手段が、前記光強度分布算出手段が算出した光強度分布の等高線の形状と、前期読み出した偏光状態ごとの等高線形状のパターンとのフィッティングを行い、    The pattern comparison means performs fitting between the contour shape of the light intensity distribution calculated by the light intensity distribution calculation means and the contour line pattern for each polarization state read in the previous period,
これにより、受信した光強度分布を用いて入射光の偏光状態を求める、    This determines the polarization state of the incident light using the received light intensity distribution.
請求項1に記載の偏光解析システム。    The ellipsometry system according to claim 1.
前記コンピュータは、The computer
さらに、入力される光強度分布をフーリエ変換するためのフーリエ変換手段と、    Furthermore, Fourier transform means for Fourier transforming the input light intensity distribution,
前記フーリエ変換手段がフーリエ変換して得られる各周波数成分から偏光状態を求める偏光状態算出手段と、    A polarization state calculating means for obtaining a polarization state from each frequency component obtained by Fourier transform of the Fourier transform means;
を具備し、  Comprising

前記コンピュータは、  The computer
前記偏光解析装置から出力される光強度分布を受信し、    Receiving the light intensity distribution output from the ellipsometer;
前記フーリエ変換手段は、受信した光強度分布をフーリエ変換し、    The Fourier transform means Fourier transforms the received light intensity distribution,
前記偏光状態算出手段は、前記フーリエ変換手段がフーリエ変換して得られる各周波数成分から偏光状態を求め、    The polarization state calculating means obtains a polarization state from each frequency component obtained by Fourier transform by the Fourier transform means,
これにより、受信した光強度分布を用いて入射光の偏光状態を求める、    This determines the polarization state of the incident light using the received light intensity distribution.
請求項1に記載の偏光解析システム。  The ellipsometry system according to claim 1.
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