JP5821029B2 - Polarization analyzer - Google Patents

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本発明は、被計測物に光を照射し、被計測物で反射または被計測物を透過した光の偏光状態を解析することにより、被計測物の物理特性を計測する偏光解析装置に関するものである。 The present invention irradiates light to the object to be measured, by analyzing the polarization state of light transmitted through the reflective or the measured object in the object to be measured, relates ellipsometer for measuring the physical properties of the object to be measured is there.

従来から、被計測物の膜圧、反射係数、表面粗さ、結晶性などの物理特性を計測するために、被計測物に光を照射するとともに、被計測物で反射された反射光あるいは被計測物を透過した透過光の偏光状態を解析する技術が知られている。 Conventionally, film thickness of the object to be measured, the reflection coefficient, surface roughness, in order to measure the physical properties such as crystallinity, irradiates light to the object to be measured, the reflected light or the reflected by the measured object technique for analyzing the polarization state of light transmitted through the measurement object is known. この種の技術は、エリプソメトリーと呼ばれている。 This kind of technology is called ellipsometry. 以下では、被計測物に照射された後の光に関して反射光についてのみ記載するが、この反射光の用語はとくに断りがなければ、被計測物を透過した透過光と読み替え可能である。 Although the following describes only the reflected light with respect to light after being irradiated to the object to be measured, if the term of the reflected light is particularly otherwise stated, be replaced with a light transmitted through the object to be measured.

被計測物で反射された反射光は、検光子を通して光センサで受光される。 The light reflected by the measured object is received by the light sensor through the analyzer. 光センサは、受光強度に応じた出力が得られる構成であればよいが、被計測物を広範囲に亘って同時に計測する場合にはカメラのような撮像手段が用いられる。 Light sensor may have a configuration in which the output corresponding to the received light intensity is obtained, image pickup means such as a camera is used when measuring at the same time over the object to be measured in a wide range. 検光子は、光センサ(撮像手段)が被計測物を見込む光軸の回りに回転可能になっている。 Analyzer, an optical sensor (imaging means) is rotatable about the optical axis looking into the object to be measured.

被計測物での反射光は偏光であるから、楕円偏光により一般化して扱うことができる。 Since light reflected by the object to be measured is polarized, it is possible to treat generalized by elliptical polarization. 楕円偏光のパラメータは、規定した基準の角度に対する楕円の傾きを表す角度ψと、楕円の長径aおよび短径bとの3個で表される。 Parameters of the elliptical polarization, the angle ψ representing the inclination of the ellipse with respect to the angle defined criteria, represented by three long diameter a and minor axis b of the ellipse. 一方、検光子を通過した光の強度Iは、検光子の回転角度θの関数でもあるから、結局、強度Iは、4個のパラメータa,b,θ,ψを持つ関数fとして表される。 On the other hand, the intensity I of the light passing through the analyzer, because is also a function of the rotation angle theta of the analyzer, after all, the intensity I is represented as four parameters a, b, theta, function with [psi f . すなわち、I=f(a,b,θ,ψ)になる。 That is, I = f (a, b, θ, ψ). ここに、直線偏光はb=0の条件で表され、円偏光はa=bの条件で表される。 Here, linearly polarized light is represented by the conditions of b = 0, circularly polarized light is represented by the conditions of a = b. また、関数fの形は既知である。 Further, the shape of the function f are known. なお、長径aと短径bとの絶対値は、被計測物に照射された光の強度によって変化するが、偏光状態を知るには長径aと短径bとの比(楕円率)がわかればよいから、長径aと短径bとの絶対値は変化してもよい、つまり、被計測物に照射する光の強度は考慮しなくてもよい。 The absolute value of the major axis a and minor axis b may vary according to the intensity of light irradiated to the object to be measured, to know the polarization state ratio of the major axis a and minor axis b (ellipticity) is divided from Bayoi, the absolute value of the major axis a and minor axis b may be varied, that is, the intensity of the light to be irradiated on the object to be measured need not be taken into account.

したがって、検光子を互いに独立した少なくとも3つの回転角度θに設定した状態で、撮像素子の各画素で受光した強度Iを求めることにより、3個のパラメータψ,a,bが一意に定められる。 Accordingly, in a state of being set to at least three rotation angle θ to independent analyzer together, by determining the intensity I of light received by each pixel of the image pickup device, three parameters [psi, a, b are uniquely determined. 回転角度θが独立しているとは、2つの回転角度θの差が180°の倍数ではないことを意味する。 And the rotation angle θ is independent, difference in the two rotation angle θ means that it is not a multiple of 180 °. 検光子を少なくとも3つの回転角度θに設定し、それぞれの回転角度θにおける強度Iを上式に当てはめると、3個のパラメータψ,a,bを含む3個の数式が得られるから、未知数であるパラメータψ,a,bを定めることができる。 The analyzer was set to at least three rotation angles theta, Applying intensity I at each rotation angle theta in the above equation, three parameters [psi, a, from the three equations containing b obtained in unknowns some parameters [psi, can be determined a, a b. すなわち、反射光の偏光状態が求められ、反射光の偏光状態から被計測物の物理特性を計測することが可能になる。 That is, the polarization state of the reflected light is determined, it becomes possible to measure the physical properties of the object to be measured from the polarization state of the reflected light.

上述したように検光子を回転させ、検光子の回転角度と撮像手段での受光強度との関係から反射光の偏光状態を解析する技術は、回転検光子法と呼ばれており、回転検光子法を実現する構成が特許文献1に開示されている。 The analyzer is rotated as described above, a technique for analyzing the polarization state of the reflected light from the relationship between the received light intensity of the rotation angle and the imaging unit of the analyzer is called a rotating analyzer method, rotating analyzer configuration for realizing law is disclosed in Patent Document 1. 特許文献1に記載された構成は、検光子をモータにより回転させるとともに、角度センサにより検光子の回転角度を検出している。 The configuration described in Patent Document 1, is rotated by the analyzer motor, it detects the rotation angle of the analyzer by the angle sensor. すなわち、検光子をモータで回転させ、角度センサで検出した検光子の回転角度が所定の角度になった時点で、光センサとしてのイメージセンサの出力をサンプリングし、フレームメモリに記憶させている。 That is, the analyzer is rotated by a motor, when the rotation angle of the analyzer detected by the angle sensor becomes a predetermined angle, by sampling the output of the image sensor as the optical sensor, and is stored in the frame memory.

特開平4−58120号公報 JP 4-58120 discloses

上述のように、特許文献1に記載された技術は、角度センサが所定の角度になった時点でイメージセンサの出力をサンプリングしている。 As described above, the technique is described in Patent Document 1, the angle sensor is sampling the output of the image sensor when it becomes a predetermined angle. ここで、イメージセンサの出力をサンプリングするには比較的長い時間を要することから、検光子を一定速度で回転させるとすれば、検光子の回転速度を高速化することは困難である。 Here, it takes a relatively long time to sample the output of the image sensor, if rotating the analyzer at a constant rate, it is difficult to speed up the rotation speed of the analyzer. この問題を解決するには、イメージセンサがサンプリングを行う期間は検光子を停止させるか回転速度を低速にし、他の期間は検光子の回転速度を高速にすることが考えられる。 To resolve this issue, period of the image sensor to perform sampling to the rotational speed or to stop the analyzer to a low speed, other periods are considered to be the rotation speed of the analyzer at a high speed. つまり、検光子の回転速度を加減速することが考えられる。 That is, it is considered that the rotational speed of the analyzer acceleration and deceleration.

イメージセンサでサンプリングを行うために検光子を停止させる場合、検光子の位置決めを行うためにモータを制御する必要がある。 To stop the analyzer to perform sampling on the image sensor, it is necessary to control the motor in order to position the analyzer. すなわち、この動作を採用すると、被計測物の物理特性を計測するために長い時間を要することになる。 That is, when employing this operation, it takes a long time to measure the physical properties of the object to be measured. しかも、検光子の回転と停止とを繰り返すことになるから、モータの負荷が大きくなるという問題がある。 Moreover, since to repeat and stopping rotation of the analyzer, there is a problem that the load of the motor increases. 検光子の回転速度を低速にする場合は、検光子の位置決めのための制御は不要であるが、回転速度が比較的低速であることから、この場合も計測に長い時間を要することになる。 If the rotational speed of the analyzer to a low speed, although the control for positioning the analyzer is not required, since the rotational speed is relatively slow, even in this case it takes a long time for measurement.

一方、検光子の回転速度を加減速させると、検光子を停止させる場合や検光子を低速度で回転させる場合に比較して、被計測物の計測に要する時間は短縮されるが、モータの負荷が大きくなるという問題が生じる。 On the other hand, if to acceleration and deceleration of the rotational speed of the analyzer, or if the analyzer stops the analyzer in comparison with the case of rotating at a low speed, the time required for the measurement of the object to be measured is reduced, the motor a problem that the load becomes large.

本発明は、検光子を一定の回転速度で回転させ、かつ被計測物の計測を比較的短い時間で行う偏光解析装置を提供することを目的とする。 The present invention, the analyzer is rotated at a constant rotational speed, and an object of the invention to provide a polarization analyzer for performing a relatively short time the measurement of the object to be measured.

本発明に係る偏光解析装置は、上述した目的を達成するために、被計測物に光を照射する照明装置と、被計測物からの光を受光し光の強度に応じて出力が変化する光センサと、被計測物と光センサとの間に配置された検光子と、検光子を光センサの光軸に平行な回転中心の回りで回転させる回転手段と、検光子の回転角度を計測する角度センサと、被計測物からの光を光センサに取り込むタイミングを指示するためのトリガ信号を発生させるトリガ手段と、光センサの出力と角度センサが検出した検光子の回転角度とを用いて被計測物からの光の偏光状態を解析する解析手段とを備え、トリガ手段は、トリガ信号を光センサと解析手段とに与え、照明装置は、被計測物に閃光ではない光を照射させ、解析手段は、光センサの出力として光セン Ellipsometer according to the present invention, in order to achieve the above object, an illumination device for irradiating light to the object to be measured, the light output changes according to the intensity of received light from the measured object light measuring a sensor, an analyzer disposed between the measured object and the light sensor, a rotation means for rotating parallel pivots around the analyzer to the optical axis of the optical sensor, the rotation angle of the analyzer an angle sensor, the using a trigger means for generating a trigger signal for instructing a timing for taking the light sensor light from the measured object, and a rotation angle of the analyzer output and the angle sensor of the optical sensor has detected and a analysis means for analyzing the polarization state of the light from the measurement object, the trigger means, e given a trigger signal to the analyzer means and the light sensor, lighting apparatus, is irradiated with light not flash to the object to be measured , analyzing means, the light sensor as the output of the optical sensor がトリガ信号による指示を受けて露光期間に取り込んだ光に対する出力を用い、検光子の回転角度として露光期間に角度センサが検出した回転角度の平均値を用いることを特徴とする。 There using an output to captured the exposure period in response to an instruction by the trigger signal light, the angle sensor in the exposure period as the rotation angle of the analyzer is characterized by using the average value of the detected rotation angle.

この偏光解析装置において、トリガ手段は、角度センサの出力が規定された3つの回転角度である時点においてそれぞれトリガ信号を発生し、解析手段は、トリガ信号ごとに得られる光センサの出力と検光子の回転角度とを用いて被計測物からの光の偏光状態を解析することが好ましい。 In this ellipsometer, trigger means, each trigger signal generated at the time the output is three rotation angles defined angle sensor, analyzing means outputs an analyzer of an optical sensor obtained for each trigger signal it is preferable to analyze the polarization state of light from the measured object by using the rotation angle.

この偏光解析装置において、トリガ手段は、規定された3つの時刻においてそれぞれトリガ信号を発生し、解析手段は、トリガ信号ごとに得られる光センサの出力と検光子の回転角度とを用いて被計測物からの光の偏光状態を解析することが好ましい。 In this ellipsometer, trigger means, each trigger signal generated at a defined three times, analysis means, be measured by using the rotation angle of the output and an analyzer of an optical sensor obtained for each trigger signal it is preferable to analyze the polarization state of light from the object.

この偏光解析装置において、光センサは、2次元格子の格子点に画素が配列された撮像手段であることがさらに好ましい。 In this ellipsometer, optical sensor, more preferably a imaging means having pixels arranged at lattice points of a two-dimensional grid.

この偏光解析装置において、解析手段は、撮像手段の画素ごとに得られる濃淡値から被計測物の表面の各部位における面の向きを求めることがさらに好ましい。 In this ellipsometer, analysis means, it is more preferable to determine the orientation of the surface at each site on the surface of the measured object from the gray levels obtained for each pixel of the image pickup means.

本発明の構成によれば、検光子を一定の回転速度で回転させ、かつ被計測物の計測を比較的短い時間で行うことが可能になるという利点がある。 According to the configuration of the present invention is advantageous in that the analyzer is rotated at a constant rotation speed, and it is possible to perform in a relatively short time the measurement of the object to be measured.

実施形態を示す概略構成図である。 It is a schematic block diagram illustrating an embodiment. 同上の構成例を示す概略構成図である。 It is a schematic configuration diagram showing a configuration example of the same. 同上の原理説明図である。 Diagram for explaining the principle of the same.

(実施形態1) (Embodiment 1)
以下に説明する実施形態は、図1に示すように、被計測物1に光を照射する照明装置10と、被計測物1を撮像する撮像手段20と、被計測物1と撮像手段20との間に配置された検光子21とを備える。 The embodiments described below, as shown in FIG. 1, an illumination device 10 which irradiates light to the object to be measured 1, the imaging unit 20 for imaging an object to be measured 1, and the measured object 1 and the image pickup device 20 and a analyzer 21 disposed between. 検光子21は、モータを備える回転手段22を用いて回転駆動される。 Analyzer 21 is rotated with the rotating means 22 comprises a motor. 検光子21は、撮像手段20の光軸と平行な回転中心の回りで回転するように配置される。 Analyzer 21 is arranged to rotate around parallel rotation center and the optical axis of the imaging unit 20. また、検光子21は、規定した基準の角度に対する回転角度が角度センサ23により計測される。 Further, the analyzer 21, the rotation angle with respect to the angle defined criteria is measured by the angle sensor 23.

以下では、照明装置10から被計測物1に照射された光の反射光を撮像手段20に入射させる場合についてのみ説明するが、照明装置10から被計測物1に照射された光の透過光を撮像手段20に入射させてもよい。 In the following, a description will be given only case of incident reflected light emitted from the illuminating device 10 to the measured object 1 light to the imaging unit 20, the transmitted light emitted from the illuminating device 10 to the measured object 1 light it may be caused to enter the imaging unit 20. したがって、以下の説明における反射光は、とくに断りがなければ透過光と読み替えることが可能である。 Thus, light reflected in the following description may be particularly read as stated otherwise transmitted light.

回転手段22による検光子21の回転速度は、一定であって回転むらのないことが望ましいが、検光子21の回転角度は角度センサ23により計測されており、回転速度は計測精度に影響しないから、検光子21の回転むらは許容される。 Rotational speed of the analyzer 21 by the rotation means 22 is desirably no rotation unevenness be constant, the rotation angle of the analyzer 21 is measured by the angle sensor 23, since the rotational speed does not affect the measurement accuracy , irregular rotation of the analyzer 21 is allowed.

照明装置10は、被計測物1に広範囲に亘って光を照射することが可能であれば、どのような構成でもよい。 Lighting device 10 is irradiated with light over a wide range in the object to be measured 1 is possible, it may be any configuration. また、照明装置10は、光源からの光を偏光板と四分の一波長板とに通すことによって被計測物1に円偏光を照射する構成、光源からの光を偏光板に通すことによって被計測物1に直線偏光を照射する構成としてもよい。 The illumination device 10 is configured to irradiate the object to be measured 1 circularly polarized light by passing light from a light source to a polarizing plate and a quarter-wave plate, the by passing light from a light source to a polarizing plate it may be configured to irradiate the linearly polarized light to the measuring object 1. 照明装置10に用いる光源は、撮像手段20が撮像している間に光出力が変動することがないよう、直流安定化電源を用いて点灯させるものが好ましい。 Light source used for the illumination apparatus 10, so that no light output varies during imaging unit 20 is imaging, which is turned with the regulated DC power supply is preferred. また、照明装置10は、規定の短時間だけ光を出力して被計測物1に閃光を照射する機能を備える。 The illumination device 10 includes an output a short time a defined light function for irradiating the flash light to the object to be measured 1. 照明装置10が閃光を発生する場合、発光毎の光量が変化しないように発光量が制御される。 If the lighting device 10 generates a flash light emission amount is controlled so that the light amount of each light emitting unchanged.

角度センサ23は、検光子21の回転角度を検出するロータリエンコーダ、ポテンショメータなどが用いられる。 Angle sensor 23, a rotary encoder for detecting the rotation angle of the analyzer 21, such as a potentiometer is used. 角度センサ23は、検光子21から回転を直接に検出するように配置されるほか、回転手段22のおける回転部分から検光子21の回転を間接的に検出するように配置されていてもよい。 Angle sensor 23, in addition to being arranged to directly detect the rotation from the analyzer 21, the rotation of the analyzer 21 from rotating parts definitive rotating means 22 may be arranged to indirectly detect.

撮像手段20は、CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサのように2次元格子の格子点上に画素が配列された撮像素子を備える。 Imaging means 20 includes an imaging device having pixels arranged on a lattice point of a two-dimensional grid as a CCD image sensor or CMOS image sensor. また、撮像手段20は受光光学系を備え、被計測物1からの反射光は受光光学系を通して撮像素子に入射される。 The imaging unit 20 includes a light-receiving optical system, light reflected from the object to be measured 1 is incident on the image sensor through the light receiving optical system. この撮像手段20は、画素値を濃淡値とする濃淡画像を生成する。 The imaging unit 20 generates a grayscale image to gray value pixel values. したがって、撮像手段20の各画素の画素値には、被計測物1の表面の場所ごとの反射光の強度が反映される。 Thus, the pixel value of each pixel of the imaging unit 20, the intensity of the reflected light of each location of the measured object 1 on the surface is reflected. 言い換えると、撮像手段20の画素ごとの画素値は、被計測物1の場所ごとの反射光の偏光状態を反映していることになる。 In other words, the pixel value of each pixel of the imaging unit 20 will reflect the polarization state of the reflected light of each location of the object to be measured 1.

撮像手段20から出力される画素ごとの画素値は解析手段24に入力される。 Pixel value of each pixel output from the imaging unit 20 is inputted to the analyzing means 24. 解析手段24は、画素ごとの画素値と検光子21の回転角度との関係を用いて、被計測物1の表面に関して画素に対応する部位の偏光状態を解析する(背景技術を参照)。 Analyzing means 24, using the relationship between the rotation angle of the analyzer 21 and the pixel value of each pixel, to analyze the polarization state of the portion corresponding to the pixel with respect to the surface of the object to be measured 1 (see Background). 要するに、偏光状態を決めるパラメータを、被計測物1の部位ごとに求める。 In short, the parameters for determining the polarization state is obtained for each region of the object to be measured 1.

背景技術において説明したように、偏光状態を決めるパラメータを求めるには、検光子21が互いに独立した3つの回転角度であるときに、それぞれの回転角度において受光する光の強度を求める必要がある。 As described in the background art, in order to determine a parameter that determines the polarization state, when analyzer 21 is a three rotation angle independent of each other, it is necessary to find the intensity of light received at the respective rotation angles. このことから、撮像手段20による撮像のタイミングを検光子21の回転角度と対応付けることが必要である。 Therefore, it is necessary to map the timing of imaging by the imaging means 20 and the rotation angle of the analyzer 21. そのため、撮像手段20が被計測物1からの反射光を取り込むタイミングを指示するトリガ信号をトリガ手段25によって発生させている。 Therefore, the imaging unit 20 is generating the trigger means 25 the trigger signal for instructing the timing to capture light reflected from the object to be measured 1.

トリガ手段25は、角度センサ23が検出した検光子21の回転角度に基づいてトリガ信号を発生させる構成と、角度センサ23の出力とは無関係に適宜の時刻にトリガ信号を発生させる構成とのいずれかが採用される。 Trigger means 25 includes a configuration for generating a trigger signal based on the rotation angle of the analyzer 21 to the angle sensor 23 detects, from the output of the angle sensor 23 either an arrangement for generating a trigger signal independently of an appropriate time or it is adopted.

角度センサ23の出力を用いるトリガ手段25は、角度センサ23から出力される検光子21の回転角度を用い、互いに独立した3つの回転角度においてトリガ信号を発生させる。 Trigger means 25 using the output of the angle sensor 23, using the rotation angle of the analyzer 21 output from the angle sensor 23 generates a trigger signal in three rotation angle independent of each other. つまり、検光子21について3つの回転角度が規定されており、角度センサ23の出力が規定された回転角度を示すときにトリガ信号を発生させる。 That is, three rotation angles about the analyzer 21 are defined, to generate a trigger signal when indicating the rotation angle of the output of the angle sensor 23 is defined. トリガ信号を発生させる回転角度は、3つの回転角度のうちの2つずつの回転角度の差が180°の倍数でなければ、適宜に設定することが可能である。 Rotation angle for generating a trigger signal be a multiple of the difference is 180 ° of the rotation angle of each two of the three rotation angles, it is possible to appropriately set. ただし、計測に要する時間を短縮するには、検光子21が180°回転する期間内に、トリガ信号を3回発生させることが好ましい。 However, to shorten the time required for measurement, within the time analyzer 21 is rotated 180 °, it is preferable to generate three times a trigger signal.

一方、角度センサ23の出力を用いないトリガ手段25は、適宜のタイミングでトリガ信号を発生させる。 On the other hand, the trigger means 25 without using the output of the angle sensor 23 generates a trigger signal at a suitable timing. トリガ信号を発生させるタイミングは、検光子21の回転角度の差が180°の倍数にならない範囲で任意であるが、計測に要する時間を短縮するには、検光子21が半周する期間内に、トリガ信号を3回発生させることが好ましい。 The timing for generating the trigger signal is the difference between the rotation angle of the analyzer 21 is optional to the extent that not a multiple of 180 °, to reduce the time required for the measurement, within the time analyzer 21 is half, it is preferable to generate three times a trigger signal. この技術を採用する場合は、角度センサ23の出力はトリガ手段25に与えないから、図1における角度センサ23とトリガ手段25とを結ぶ線は不要になる。 When employing this technique, the output of the angle sensor 23 do not applied to the trigger unit 25, a line connecting the angle sensor 23 and the trigger means 25 in FIG. 1 becomes unnecessary.

上述したトリガ信号は、照明装置10と撮像手段20とに与えられる。 Trigger signal described above is supplied to the lighting device 10 and the imaging unit 20. 照明装置10にトリガ信号が与えられると、照明装置10は被計測物1に閃光を照射する。 When the trigger signal is given to the illumination device 10, the illumination apparatus 10 illuminates the flash to the object to be measured 1. すなわち、被計測物1は、照明装置10からの閃光により短時間(たとえば、〜数ms)だけ光が照射される。 That is, the object to be measured 1, a short time by flash light from the illumination device 10 (e.g., to several ms) is only the light is radiated. 通常の撮像手段20は、1フレームの画像を得るのに数十msを要するから、被計測物1が照明装置10から閃光を照射される時間は、1フレームの画像を得る時間よりも短くなる。 Conventional imaging means 20, since it takes several tens ms to obtain an image of one frame, the time measured object 1 is irradiated with flash from the lighting device 10 is shorter than the time for obtaining an image for one frame .

したがって、撮像手段20の周囲光を遮断し、照明装置10による光が照射されている期間の出力のみが撮像手段20から得られるようにしておけば、撮像手段20は、閃光が生じている期間の情報のみを取得することになる。 Accordingly, blocks the ambient light of the imaging unit 20, if only the output of the period which the light by the illumination device 10 is irradiated it is devised obtained from the imaging unit 20, imaging unit 20, the period in which the flash is occurring It will only get the information. このことから、検光子21が比較的高速で回転していても、撮像手段20において被計測物1の情報を取得している期間における検光子21の回転量が微小になる。 Therefore, even if the analyzer 21 is rotating at a relatively high speed, the amount of rotation of the analyzer 21 in the period which has acquired the information of the measured object 1 in the image pickup device 20 becomes small. つまり、撮像手段20で得られる出力と、検光子21の回転角度とが精度よく対応付けられ、被計測物1による反射光の偏光状態を精度よく計測することが可能になる。 That is, the output obtained by the imaging unit 20, the rotation angle and is associated with high accuracy of the analyzer 21, it becomes possible to measure the polarization state of the light reflected by the measured object 1 accurately. なお、撮像手段20に光が入射する時間が微小になるから、撮像手段20から十分な大きさの出力が得られるように、照明装置10の光出力は比較的大きくしておく必要がある。 Incidentally, since the time that light is incident on the imaging unit 20 is small, so that the output of sufficient magnitude from the imaging device 20 is obtained, the light output of the lighting device 10 is required to be relatively large.

上述したように、検光子21の回転角度が所定の角度になったタイミングと、時刻によって定めたタイミングとのいずれかで、トリガ手段25からトリガ信号が出力され、照明装置10からの閃光が被計測物1に照射される。 As described above, the timing at which the rotation angle of the analyzer 21 becomes a predetermined angle, either in the timing determined by the time, the trigger signal is outputted from the trigger section 25, the flash from the lighting device 10 to be It is irradiated to the measurement object 1. したがって、撮像手段20には被計測物1による偏光状態を反映した反射光が、閃光の生じている微小時間だけ入射する。 Thus, the imaging unit 20 the reflected light that reflects the polarization state by the object to be measured 1 is incident by a small time that occurs in the flash.

撮像手段20に反射光が入射する微小時間における検光子21の回転角度の変化は微小であるから、解析手段24において検光子21の回転角度が精度よく特定されることになる。 Since the change in the rotation angle of the analyzer 21 at the minute time the reflected light incident on the imaging unit 20 is very small, so that the rotation angle of the analyzer 21 is specified accurately in the analysis unit 24. その結果、解析手段24において、 被計測物1の物理特性が反映された正確な偏光状態が求められる。 As a result, the analyzing means 24, the exact polarization state physical properties of the measured object 1 is reflected is obtained. また、上述した構成を採用すれば、撮像手段20が被計測物1からの反射光を取得する時間が、1フレームの画像を撮像する時間よりも短くなる。 Further, by employing the above-described configuration, the imaging unit 20 time to obtain the reflected light from the object to be measured 1 is shorter than the time for capturing an image of one frame. そのため、検光子21の回転速度を低速にすることや、検光子21の回転速度を加減速することが不要であって、計測に要する時間が短くなる。 Therefore, and to the rotational speed of the analyzer 21 to the low speed, there is no need to be accelerated or decelerated rotation speed of the analyzer 21, the time required for measurement is shortened. また、検光子21の回転速度に回転むらがあったとしても偏光状態の計測精度には影響しない。 Also, it does not affect the measurement accuracy of the polarization state even if the rotation unevenness in rotation speed of the analyzer 21.

以下に、偏光を用いて被計測物1の表面状態を計測する技術の一例を説明する。 Hereinafter, an example of a technique for measuring the surface state of the object to be measured 1 using a polarizing. 図2に示す例では、被計測物1を図示しないテーブル上に配置してあり、テーブルの上方に撮像手段20を配置してある。 In the example shown in FIG. 2 are arranged on a table (not shown) the measured object 1, is disposed an image pickup means 20 above the table. すなわち、撮像手段20は、テーブル上面の法線方向と光軸が平行になるように配置してある。 That is, the imaging means 20, the normal direction and the optical axis of the table top is are arranged in parallel. 被計測物1は撮像手段20の光軸上に配置される。 The object to be measured 1 is disposed on the optical axis of the imaging unit 20.

照明装置10は、下面が半球状に凹んだ発光面を有し、撮像手段20の光軸の周囲の全周に亘って被計測物1に斜め上方から光を照射する。 Illumination device 10, the lower surface has a light-emitting surface recessed hemispherical irradiates light from obliquely above to the measured object 1 along the entire circumference around the optical axis of the imaging unit 20. また、照明装置10の発光面は撮像手段20の光軸を囲むように配置される。 The light emitting surface of the illumination device 10 is arranged to surround the optical axis of the imaging unit 20. 照明装置10は、撮像手段20の視野を遮らないように円形に開口する開口窓11を備える。 Illumination apparatus 10 includes an open window 11 which opens in the circular so as not to block the field of view of the imaging unit 20. したがって、照明装置10はリング照明のように、被計測物1を全周に亘って均等に照明する。 Accordingly, the lighting device 10 as ring illumination, evenly illuminated over the object to be measured 1 to the entire circumference.

すなわち、照明装置10は、被計測物1に対して斜め上方から均等に光を照射し、撮像手段20は、照明装置10に形成された開口窓11を通して被計測物1からの反射光を受光する。 That is, the lighting apparatus 10 irradiates the uniformly light obliquely from above against the object to be measured 1, imaging means 20, receiving reflected light from the measured object 1 through the opening window 11 formed in the illumination apparatus 10 to. 開口窓11と撮像手段20との間には検光子21が配置される。 Analyzer 21 is arranged between the opening window 11 and the imaging unit 20. 検光子21は、撮像手段20の光軸と平行な回転中心の回りで回転可能であって、回転手段22により回転駆動される。 Analyzer 21 is rotatable about parallel rotational center and the optical axis of the imaging unit 20, is rotated by a rotating means 22.

ところで、図2に示す構成例では、照明装置10は、重ねて配置された偏光板と四分の一波長板(図示せず)とを備えており、偏光板を通して直線偏光になった光を四分の一波長板に通すことによって円偏光の光を生成し、被計測物1に円偏光の光を照射する。 Incidentally, in the configuration example shown in FIG. 2, the lighting device 10 is provided with a superimposed polarizing plate disposed a quarter-wave plate (not shown), the light becomes linearly polarized light through the polarizing plate generates a circularly polarized light by passing through a quarter-wave plate, is irradiated with light of the object to be measured 1 circularly polarized light. 被計測物1に円偏光の光を照射すると、撮像手段20に入射する光は被計測物1の表面の向きに応じたパラメータを持つ楕円偏光になる。 Upon irradiation with light of the object to be measured 1 circularly polarized light, the light entering the imaging unit 20 becomes elliptically polarized light having a parameter corresponding to the direction of the surface of the object to be measured 1. 楕円偏光のパラメータは、背景技術において説明したように、楕円の長径および短径(または、楕円率)、基準の角度に対する楕円の傾きを表す角度である。 Parameters of the elliptical polarization, as described in the background art, the ellipse major axis and minor axis (or ellipticity) is an angle indicating the inclination of the ellipse with respect to the angle of the reference. したがって、検光子21の回転角度と撮像手段20の各画素ごとの濃淡値との関係を用いると、撮像手段20の各画素に対応した被計測物1の表面の各部位の向きを定量的に計測することが可能になる。 Therefore, using the relationship between the gray value of each pixel of the rotation angle and the imaging unit 20 of the analyzer 21, quantitatively each part of the orientation of the measured object 1 on the surface corresponding to each pixel of the imaging unit 20 it is possible to measure.

いま、図3に示すように、被計測物1の表面において撮像手段20の各画素に対応する範囲としての小領域Snを規定し、小領域Snの範囲では被計測物1の表面を平面とみなす。 Now, as shown in FIG. 3, it defines a small area Sn as a range corresponding to each pixel of the imaging unit 20 on the surface of the measured object 1, in the range of small area Sn and the plane of the surface of the measured object 1 I reckon. 以下では、小領域Snの法線方向Dnが撮像手段20の光軸Axに対してなす角度をφ(傾斜角)で表し、小領域Snの法線をテーブル(図示せず)の表面に平行な基準平面PLに投影した直線が当該面内の基準の角度に対してなす角度をω(方位角)で表す。 In the following, parallel to the surface of the represents the angle which the normal direction Dn subregion Sn with respect to the optical axis Ax of the imaging unit 20 with phi (tilt angle), the normal line of the small areas Sn table (not shown) straight lines projected on a reference plane PL represents the angle formed with respect to the angle of the reference in the plane in omega (azimuth).

基準平面PLは、撮像手段20の撮像面にも平行になる。 Reference plane PL is parallel to the imaging surface of the imaging unit 20. 傾斜角φは、撮像手段20に向かう向きを0°とし、被計測物1に向かう向きを180°とする。 Inclination angle φ is such that a direction in the imaging unit 20 and 0 °, and 180 ° orientation toward the object to be measured 1. また、方位角ωは、撮像手段20の画素配列における水平方向をx方向、垂直方向をy方向とするとき、x軸の正の向きを0°とし、x軸の負の向きを180°とする。 Further, the azimuth angle omega, when the x-direction in the horizontal direction in the pixel array of the imaging unit 20, the vertical direction is y direction, the positive direction of the x axis is 0 °, and 180 ° the negative direction of the x-axis to. なお、図3に示す座標系は、右手系であり、撮像手段20の光軸Axと基準平面PLとの交点を原点とする。 The coordinate system shown in FIG. 3 is a right-handed system, the origin of intersection of the optical axis Ax and the reference plane PL of the imaging unit 20.

上述のように、傾斜角φと方位角ωとを規定した場合、被計測物1について計測可能な範囲は、傾斜角φについては最大で0〜90°であり、方位角ωについては最大で0〜180°になる。 As described above, when defining the inclination angle phi and azimuth angle omega, the range capable of measuring the object to be measured 1 is greatest at 0 to 90 ° for the inclination angle phi, at most about azimuth omega become 0~180 °. ここに、傾斜角φの制限は、傾斜角φが90°以上の部位が撮像手段20からは死角であって視野外になることによって生じる。 Here, limiting the inclination angle φ is part inclination angle φ is 90 ° or more is caused by going outside the field of view a dead angle from the imaging unit 20. また、方位角ωの制限は、検光子21が2回回転対称であることによって生じる。 Further, limitation of azimuth ω is caused by analyzer 21 is 2-fold rotational symmetry. つまり、検光子21は、楕円偏光における楕円の角度を0〜180°の範囲でのみ区別できるからである。 That is, the analyzer 21 is because the ellipse angle of elliptical polarization can be distinguished only by the scope of 0 to 180 °.

図3に示す構成では、傾斜角φと方位角ωとを求めるだけでは、傾斜角φが等しく方位角ωが180°異なっている小領域Snを区別することができない。 In the configuration shown in FIG. 3, only obtains the inclination angle φ and azimuth angle ω is the inclination angle φ is equal azimuth ω is unable to distinguish small area Sn is different 180 °. すなわち、小領域Snに関して得られる情報量が不足している。 That is, insufficient amount of information obtained for the small area Sn. この情報量を増加させるには、撮像手段20の光軸Axに対するテーブルの傾きを既知の角度だけ変化させて、傾斜角φおよび方位角ωを計測すればよい。 This increases the amount of information, by changing the inclination of the table relative to the optical axis Ax of the imaging unit 20 by a known angle, it may be measured tilt angle φ and azimuth omega. テーブルの傾きを変更すれば、傾斜角φが等しいことによって区別できなかった小領域Snが異なる傾斜角φになるから、結果的に小領域Snの区別が可能になり、すべての小領域Snについて傾斜角φと方位角ωとを求めることが可能になる。 By changing the inclination of the table, because the small region Sn is different inclination angles φ which can not be distinguished by the inclination angle φ is equal, consequently allows to distinguish small area Sn, for all the small areas Sn it is possible to determine the tilt angle φ and the azimuth angle omega. すなわち、被計測物1の表面の各部位を形成している小領域Snの向きが計測される。 That is, the orientation of the small area Sn forming each part of the measured object 1 on the surface is measured. 小領域Snの向きの計測により、被計測物1の表面粗さなどが計測される。 The measurement of the orientation of the small area Sn, and surface roughness of the object to be measured 1 is measured. また、小領域Snの連続性に着目すれば、被計測物1の表面の三次元形状を推定することも可能になる。 Further, paying attention to the continuity of the small area Sn, it also becomes possible to estimate the three-dimensional shape of the measured object 1 surface.

(実施形態2) (Embodiment 2)
実施形態1は照明装置10が被計測物1に閃光を照射し、閃光が生じている微小時間だけ撮像手段20に光を入射させることによって、検光子21の回転角度を精度よく特定する構成を採用した。 Embodiment 1 illumination device 10 is irradiated with flash light in the object to be measured 1, by causing light to enter the only imaging means 20 minute time flash occurs, accurately identifies constituting the rotation angle of the analyzer 21 It was adopted. これに対して、本実施形態は、被計測物1からの反射光が撮像手段20に入射する期間(つまり、露光期間)を一定にし、撮像手段20の露光期間における検光子21の回転角度の平均値を、検光子21の回転角度として用いる。 In contrast, the present embodiment is a period during which light reflected from the measured object 1 is incident on the imaging unit 20 (i.e., exposure period) and the constant rotation angle of the analyzer 21 in the exposure period of the imaging unit 20 the average value is used as the rotation angle of the analyzer 21. 他の構成は実施形態1と同様であるから、図1を参照して説明する。 Since other configurations are similar to those of the first embodiment will be described with reference to FIG. ただし、本実施形態の構成は、照明装置10は閃光を発生しないから、図1におけるトリガ手段25と照明装置10とを結ぶ線は不要になる。 However, the configuration of the present embodiment, the lighting device 10 do not generate flash, a line connecting the triggering means 25 and the illumination device 10 in FIG. 1 becomes unnecessary.

撮像手段20が被計測物1からの反射光を取り込むタイミングは、実施形態1と同様に、トリガ手段25から出力されるトリガ信号によって定められる。 Timing the imaging unit 20 captures the reflected light from the object to be measured 1, as in the first embodiment, is defined by a trigger signal output from the trigger unit 25. また、露光期間は撮像手段20を駆動するクロック信号によって定められる。 Also, the exposure period is determined by a clock signal for driving the imaging unit 20. たとえば、撮像手段20は、トリガ信号が入力された後のクロック信号の最初の立ち上がりから60分の1秒間を露光期間とする。 For example, imaging unit 20, a first exposure period 1 second to 60 minutes from the rising of the clock signal after the trigger signal is input. また、解析手段24は、露光開始と露光終了とのタイミングをトリガ信号とクロック信号とにより認識し、露光開始と露光終了との時点で角度センサ23により得られた検光子21の回転角度の平均値を求める。 Further, the analysis unit 24, the timing of the exposure start and exposure end and recognized by the trigger signal and the clock signal, the average of the rotational angle of the analyzer 21 obtained by the angle sensor 23 at the time of the exposure start and exposure end determine the value. 解析手段24は、求めた平均値を検光子21の回転角度とみなし、撮像手段20が露光期間において取り込んだ反射光の強度(受光量)に対応付けることによって偏光状態を求める。 Analyzing means 24, an average value calculated regarded as the rotation angle of the analyzer 21, the imaging unit 20 obtains the polarization state by associating the intensity of the captured reflected light in the exposure period (light receiving amount).

本実施形態は、検光子21の回転角度を求める技術において実施形態1と相違するが、他の構成は実施形態1と同様である。 This embodiment is different from the first embodiment in the technique for obtaining the rotation angle of the analyzer 21, the other configurations are the same as in the first embodiment. トリガ手段25からトリガ信号を発生させるタイミングも実施形態1と同様に、角度センサ23で検出される検光子21の回転角度に基づいて規定する場合と、適宜に設定した時刻で規定する場合とがある。 Similar timing for generating a trigger signal from the trigger means 25 also in the first embodiment, a case prescribed based on the rotation angle of the analyzer 21 detected by the angle sensor 23, and the case specified in time set appropriately is there.

また、本実施形態では、閃光を用いないから、照明装置10の最大発光強度を実施形態1よりも小さくすることが可能になる。 Further, in this embodiment, it does not use the flash, the maximum emission intensity of the illumination apparatus 10 can be made smaller than in the embodiment 1. あるいはまた、実施形態1と同じ光出力の照明装置10を用いた場合、偏光状態の1回の計測の間に被計測物1から撮像手段20に入射する反射光の光量が実施形態1よりも大きくなる。 Alternatively, when using the illumination device 10 of the same light output as the embodiment 1, the amount of reflected light entering the object to be measured 1 to the imaging device 20 than the first embodiment during a single measurement of the polarization state growing. その結果、反射光の入射強度の差が撮像手段20の出力差に反映されやすくなり、偏光状態の計測精度が高くなる。 As a result, the difference in incident intensity of the reflected light is easily reflected on the output difference of the imaging unit 20, the measurement accuracy of the polarization state is increased. さらに、撮像手段20の露光期間を一定に保つ制御は、発生している時間が微小である閃光の強度を発生毎に等しくする制御よりも容易になる。 Furthermore, control for maintaining the exposure period of the imaging unit 20 constant, the time occurring is easier than control of equal for each occurrence intensity of the flash is small.

1 被計測物 10 照明装置 20 撮像手段(光センサ) 1 measurement object 10 the lighting device 20 the imaging means (light sensor)
21 検光子 22 回転手段 23 角度センサ 24 解析手段 25 トリガ手段 21 analyzer 22 rotating means 23 the angle sensor 24 analyzing means 25 trigger means

Claims (5)

  1. 被計測物に光を照射する照明装置と、前記被計測物からの光を受光し光の強度に応じて出力が変化する光センサと、前記被計測物と前記光センサとの間に配置された検光子と、前記検光子を前記光センサの光軸に平行な回転中心の回りで回転させる回転手段と、前記検光子の回転角度を計測する角度センサと、前記被計測物からの光を前記光センサに取り込むタイミングを指示するためのトリガ信号を発生させるトリガ手段と、前記光センサの出力と前記角度センサが検出した前記検光子の回転角度とを用いて前記被計測物からの光の偏光状態を解析する解析手段とを備え、前記トリガ手段は、前記トリガ信号を前記光センサと前記解析手段とに与え、前記照明装置は、前記被計測物に閃光ではない光を照射させ、前記解析手段は、前記光セ An illumination device for irradiating light to the object to be measured, the disposed between the optical sensor output according to the intensity of the received light from the object to be measured is changed, and the light sensor and the object to be measured and an analyzer, and rotating means for rotating the analyzer about parallel rotational center to the optical axis of said optical sensor, an angle sensor that measures the rotation angle of the analyzer, the light from the object to be measured and trigger means for generating a trigger signal for instructing a timing to take in the light sensor, wherein the angle sensor and the output of the optical sensor is detected using the rotation angle of the analyzer of the light from the object to be measured and a analysis means for analyzing the polarization state, said trigger means, e given the trigger signal to said analyzing means and said light sensor, the lighting equipment is not irradiated with light is not a flash in the object to be measured the analysis means, said optical cell サの出力として前記光センサが前記トリガ信号による指示を受けて露光期間に取り込んだ光に対する出力を用い、前記検光子の回転角度として前記露光期間に前記角度センサが検出した回転角度の平均値を用いることを特徴とする偏光解析装置。 Using the output for the captured light to the exposure period the light sensor as the output of the difference in response to an instruction by the trigger signal, the average of the angle sensor detects rotation angles to the exposure period as the rotation angle of the analyzer ellipsometer, which comprises using the value.
  2. 前記トリガ手段は、前記角度センサの出力が規定された3つの回転角度である時点においてそれぞれ前記トリガ信号を発生し、前記解析手段は、前記トリガ信号ごとに得られる前記光センサの出力と前記検光子の回転角度とを用いて前記被計測物からの光の偏光状態を解析することを特徴とする請求項1記載の偏光解析装置。 Said trigger means, the output of the angle sensor generates a respective said trigger signal in a time period of three rotation angles defined, said analyzing means, said analyzing the output of the photosensor obtained by the trigger signal ellipsometer according to claim 1, wherein the analyzing the polarization state of light from the object to be measured by using a rotation angle of the photon.
  3. 前記トリガ手段は、規定された3つの時刻においてそれぞれ前記トリガ信号を発生し、前記解析手段は、前記トリガ信号ごとに得られる前記光センサの出力と前記検光子の回転角度とを用いて前記被計測物からの光の偏光状態を解析することを特徴とする請求項1記載の偏光解析装置。 It said trigger means, respectively generates the trigger signal at a defined three times, the analysis means, the object by using the rotation angle of the output and the analyzer of the optical sensor obtained for each of the trigger signal ellipsometer according to claim 1, wherein the analyzing the polarization state of the light from the measurement object.
  4. 前記光センサは、2次元格子の格子点に画素が配列された撮像手段であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の偏光解析装置。 The light sensor is ellipsometer according to any one of claims 1 to 3, wherein the pixel is imaging means which are arranged in a lattice point of a two-dimensional grid.
  5. 前記解析手段は、前記撮像手段の画素ごとに得られる濃淡値から前記被計測物の表面の各部位における面の向きを求めることを特徴とする請求項4記載の偏光解析装置。 It said analyzing means ellipsometer of claim 4, wherein the determination of the surface orientation in each site on the surface of the object to be measured from the gray levels obtained for each pixel of said imaging means.
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