JPH05113371A - エリプソパラメータ測定方法及びエリプソメータ - Google Patents

エリプソパラメータ測定方法及びエリプソメータ

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JPH05113371A
JPH05113371A JP3263690A JP26369091A JPH05113371A JP H05113371 A JPH05113371 A JP H05113371A JP 3263690 A JP3263690 A JP 3263690A JP 26369091 A JP26369091 A JP 26369091A JP H05113371 A JPH05113371 A JP H05113371A
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JP
Japan
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light
polarization
beam splitter
incident
ellipsometer
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Application number
JP3263690A
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Takahiko Oshige
貴彦 大重
Takeo Yamada
健夫 山田
Akira Kazama
彰 風間
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JFE Engineering Corp
Original Assignee
NKK Corp
Nippon Kokan Ltd
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01J4/00—Measuring polarisation of light
    • G01J4/04—Polarimeters using electric detection means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
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    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 エリプソメータに含まれる可動光学部材を除
去して、測定速度を上昇するとともに、エリプソパラメ
ータの位相差Δがどの象限に所属するかも１回の測定で
判定可能とする。 【構成】 光源部から測定対象に入射されて、この測定
対象にて反射された楕円偏光を有する反射光を互いに異
なる４つの偏光成分に分離して各偏光成分の光強度を検
出し、検出された４つの光強度からエリプソパラメータ
ψ，Δを算出している。また、波長板を用いて前記４つ
異なる偏光成分を得ている。さらに、必要に応じて、４
つの光強度を得る各偏光成分の偏光方向をそれぞれ基準
方向に対して−４５°，＋４５°，９０°，０°に設定
している。また、４つの偏光成分を取出すために複合ビ
ームスプリッタを用いている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は薄い膜厚を測定する場合
に用いるエリプソパラメータを測定するエリプソパラメ
ータ測定方法およびこの測定方法を用いてエリプソパラ
メータを測定するエリプソメータに関する。
【０００２】
【従来の技術】薄膜の膜厚を測定する手法としてエリプ
ソメトリ手法が用いられる。この手法は、薄膜等の試料
面で光が反射する際の偏光状態の変化、すなわち電場ベ
クトルの入射面に平行な成分（Ｐ成分）の反射率Ｒｐ
と、直角な成分（Ｓ成分）の反射率Ｒｓとの比ρを(1)
式で測定して、すでに確立されている偏光反射率比ρと
膜厚ｄとの一定の関係に従って、この膜厚ｄを求める。 ρ＝Ｒｐ／Ｒｓ＝ tanψ exp［ｊΔ］ …(1)
【０００３】ここで、偏光反射率比ρは、(1) 式に示す
ように、一般に複素数であるので、２つのエリプソパラ
メータ、つまり振幅比ψ、および位相差Δを求める必要
がある。
【０００４】従来このエリプソパラメータψ，Δを求め
る方法として、消光法と言われる方式がある。この方法
においては、例えば、光源から測定対象に対して所定角
度で偏光した光を入射させ、その測定対象からの楕円偏
光された反射光を１／４波長板と検光子とを透過させて
受光器に導く。そして、受光器で得られる光強度信号を
例えば測定器で監視しながら前記１／４波長板と検光子
をそれぞれ回転させて光強度が最小になる回転角度を得
て、この回転角度から前記エリプソパラメータを算出す
る。しかし、この方法においては、検光子を回転させて
光強度の最小角度位置を探す必要があるので、測定に多
大の時間が必要であった。
【０００５】そこで、上記エリプソパラメータを比較的
高速に測定する手法として、回転検光子を用いる手法が
提唱されている。すなわち、この測定方法においては、
上記消光法と同様に光源から測定対象に対して例えば４
５°等の所定角度に直線偏光した光を入射させ、測定側
の検光子を１回転させたときに受光器にて得られる光強
度の出力波形から前記エリプソパラメータを算出する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら回転検光
子を用いたエリプソパラメータ測定方法においても次の
ような問題があった。
【０００７】(1) 一つの測定を実行する場合に必ず検光
子を１回転させる必要があり、その回転には一定以上の
時間が必要である。したがって、高速で移動している測
定対象のエリプソパラメータψ，Δを求めて、このエリ
プソパラメータから膜厚ｄを測定することは不可能であ
る、また、機械的な可動部分が存在するので装置自体が
大型化し、工場の製造ライン等に据付け、オンラインで
例えば連続して供給される測定対象の膜厚を測定するこ
とはできなかった。
【０００８】(2) 例えば測定対象に対する入射光として
前述した直線偏光を用いた場合には、エリプソパラメー
タのうちの位相差の情報は cosΔの形で得られるので、
正しい位相差が、Δであるのか（３６０°−Δ）である
かの区別がつかない。また、入射光として円偏光を用い
た場合は、エリプソパラメータのうちの位相差の情報は
sinΔの形で得られるので、正しい位相差が、Δである
のか（９０°−Δ）であるかの区別がつかない。
【０００９】したがって、この得られた位相差Δが第１
象限（０°〜９０°）から第４象限（２７０°〜３６０
°）のうちのいずれの象限（ゾーン）に所属するかを判
定する必要がある。この判定を一般にゾーン判定と称し
ている。一般的なゾーン判定手法として、測定対象に対
する入射光の光路に１／４波長板を挿入して入射光を円
偏光とした場合の出力波形と、１／４波長板を挿入しな
いで入射光を直線偏光とした場合の出力波形とを求め
て、この両方の出力波形を比較対照することによって所
属ゾーンを判定する手法が採用されている。しかし、こ
の手法においては、同一測定点に対して２回の測定を実
施する必要があり、前述した消光法に比較して、格段に
測定能率が上昇するとは限らない。
【００１０】(3) また、測定対象からの反射光は楕円偏
光を有するが、この楕円が円に近い場合は、測定精度が
低下するので、故意に１／４波長板を入射光または反射
光の光路に介挿して、測定系に入射される反射光の楕円
偏光状態を変更する必要がある。よって、測定作業能率
がさらに低下する。
【００１１】(4) 検光子を回転させる機構や１／４波長
板を光路に対して挿脱する機構が必要である。これらの
機構には多数の可動部材が組込まれており、装置自体が
大型化するので、エリプソメータの設置場所が例えば研
究室内等の比較的広くて環境のよい場所に限定される。
【００１２】また、機械的に可動するので、可動に要す
る多大の時間が必要となる。その結果、一つの測定点に
対して１／４波長板を挿脱して検光子を２回回転させる
と、１つの測定点に対する測定を実施するのに数秒の時
間を必要とし、オンライン状態における高速測定が不可
能であった。
【００１３】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、測定対象にて反射された楕円偏光を有する
反射光を互いに異なる４つの偏光成分に分離して各偏光
成分の光強度を検出してこの４つの光強度からエリプソ
パラメータを算出することにより、検光子を回転する必
要なく、また１／４波長板を光路に対して挿脱する必要
なく、その結果、固定部材のみで構成でき、可動部材を
使用したことに起因する可動所要時間を省略でき、１度
の測定でほぼ瞬時にエリプソパラメータを測定でき、し
かして、たとえ移動状態の測定対象に対してもオンライ
ン状態でエリプソパラメータが測定でき、かつ膜厚も測
定できるエリプソパラメータの測定方法およぴエリプソ
メータを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解消するため
に本発明のエリプソパラメータ測定方法においては、測
定対象に対して偏光した光を所定角度で入射させ、この
測定対象の反射光をそれぞれ互いに異なる４つの偏光成
分に分離し、この分離された４つの偏光成分の光強度か
らエリプソパラメータを求めるようにしている。
【００１５】また、本発明のエリプソメータにおいて
は、偏光した光を測定対象に所定角度で入射させる光源
部と、測定対象にて反射された反射光を互いに異なる２
方向に分岐する無偏光ビームスプリッタと、この無偏光
ビームスプリッタにて分岐された各光をそれぞれ異なる
２偏光方向に分離し、最終的に測定対象の反射光を４つ
の偏光成分に分離する複数の光学部材と、この複数の光
学部材にて分離された各偏光成分の光強度を検出する４
個の受光器と、この４個の受光器から検出された４つの
光強度に基づいて前記反射光における楕円偏光のエリプ
ソパラメータを算出する演算部とを備えたものである。
【００１６】さらに、別の発明のエリプソメータにおい
ては、上記複数の光学部材を、無偏光ビームスプリッタ
にて分岐された各光を基準方向に対して＋４５°および
−４５°方向の各偏光成分に分離する２組の光学系と、
無偏光ビームスプリッタにて分岐されて各光学系に入射
される各光の光路のうちの少なくとも一方の光路に介挿
され、この光路の光の位相を他方の光路の光の位相に対
して相対的に変化させる波長板とで構成している。
【００１７】さらに、別の発明のエリプソメータにおい
ては、前記複数の光学部材を、無偏光ビームスプリッタ
にて分岐された一方の光を基準方向に対して＋４５°お
よび−４５°方向の各偏光成分に分離する第１の光学系
と、無偏光ビームスプリッタにて分岐された他方の光を
基準方向に対して９０°および０°方向の各偏光成分に
分離する第２の光学系と、無偏光ビームスプリッタにて
分岐されて各光学系に入射される各光の光路のうちの少
なくとも一方の光路に介挿され、この光路の光の位相を
他方の光路の光の位相に対して相対的に変化させる波長
板とで構成している。さらに、前記測定対象に対する入
射光路または反射光路に波長板を挿入することも可能で
ある。
【００１８】さらに、他の発明のエリプソメータは、偏
光した光を測定対象に所定角度で入射させる光源部と、
測定対象にて反射された反射光を互いに異なる４つの偏
光成分に分離する複合ビームスプリッタと、この複合ビ
ームスプリッタにて分離された各偏光成分の光強度を検
出する４個の受光器と、この４個の受光器から検出され
た４つの光強度に基づいて反射光における楕円偏光のエ
リプソパラメータを算出する演算部とを備えたものであ
る。
【００１９】また、別の発明においては、上述した複合
ビームスプリッタを、測定対象からの反射光を入射面で
反射光と透過光とに分岐させる無偏光ガラスと、一端が
無偏光ガラスに固定され、この無偏光ガラスの反射光を
偏光方向が互いに９０°異なる方向を向く偏光成分に分
離する第１の偏光ビームスプリッタと、無偏光ガラスの
透過光の出射面に接合され、無偏光ガラスの透過光を偏
光方向が互いに９０°異なる方向を向く偏光成分に分離
する第２の偏光ビームスプリッタと、第１，第２のいづ
れか一方の偏光ビームスプリッタの入射面に貼付られた
波長板とで構成している。
【００２０】
【作用】まず、このように構成されたエリプソパラメー
タ測定方法の動作原理を説明する。前述したように、光
源部から偏光した光が所定角度φで測定対象に入射する
と、例えば図３に示すように、この測定対象にて反射さ
れる反射光は測定対象の膜厚等で定まる一定形状の楕円
偏光を有する。そして、エリプソパラメータψ，Δは反
射光のＰ成分とＳ成分との振幅比ψと位相差Δである。
したがって、本来ならば、パラメータは２つであるが、
例えば入射光が直線偏光の場合は、位相差Δの符号は前
記楕円偏光が右回りか左回りかで定まる。しかし、受光
器で測定された光強度には楕円偏光の回転方向の情報が
含まれないので、さらにもう一つ独立した情報となる光
強度が必要となる。このように３つの光強度が得られれ
ばよいが、絶対光量によらない無次元演算を行うために
４つの光強度が必要となる。
【００２１】よって、図３（ａ）の楕円を各方向に投影
した２つの光強度と図３（ａ）に既知の位相差を与えた
図３（ｂ）の楕円を各方向に投影した２つの光強度との
合計４つの光強度が得られれば、その楕円は位相角Δが
所属する象限も含めて一義的に定まる。そのため、本発
明のエリプソパラメータ測定方法においては、測定対象
の反射光をそれぞれ異なる４つの偏光成分に分離して、
この分離された４つの光強度から各エリプソパラメータ
ψ，Δを算出している。
【００２２】なお、図３（ａ）と図３（ｂ）とに示した
光の偏光状態はあくまでも相対的なものであり、これら
に限定されるものではない。したがって、図３（ａ）に
当初より異なる位相のずれが与えられていても、図３
（ｂ）との関係上、既知の位相差が規定できれば本願発
明は成立する。
【００２３】また、本発明のエリプソメータにおいて、
測定対象にて反射された楕円偏光を有する反射光は、無
偏光ビームスプリッタで２方向に分岐され、分岐された
各方向の光はさらに各光学系によってそれぞれ２方向の
偏光成分に分離される。そして、一方の光学系への光路
に波長板が挿入されている。よって、最終的にそれぞれ
異なる４つの偏光成分が得られ、各光強度に変換され
る。この４つの光強度でもって、エリプソパラメータの
振幅比ψおよび位相差Δが求まる。
【００２４】また、無偏光ビームスプリッタから出力さ
れた各光を、測定対象からの反射光における入射面に平
行な方向（Ｐ成分）を方位０°とする基準方向に対して
＋４５°および−４５°に設定し、かついずれか一方に
波長板を挿入することによって、反射光を４つの異なる
偏光成分に分離している。
【００２５】さらに、波長板を用いて、各偏光成分の偏
光方向を基準方向に対して＋４５°および−４５°に設
定することによって、前記エリプソパラメータψ，Δの
演算が単純化される。
【００２６】また、測定対象にて反射された反射光を一
つの光学部品で構成された複合ビームスプリッタでもっ
てそれぞれ互いに異なる４つの偏光成分に分離してい
る。このように、複合ビームスプリッタを用いることに
よって、光学部品点数を低減でき、エリプソメータ全体
を小型，軽量に製造できる。
【００２７】また、この複合ビームスプリッタを無偏光
ガラスと、第１，第２の偏光ビームスプリッタおよび波
長板とで構成している。このような構成の複合ビームス
プリッタにおいて、測定対象からの反射光は無偏光ガラ
スの表面で透過光と反射光とに分岐される。そして、反
射光は第１の偏光ビームスプリッタにて偏光方向が互い
に９０°異なる２つの偏光成分に分離される。同様に透
過光は第２の偏光ビームスプリッタにて偏光方向が９０
°異なる２つの偏光成分に分離される。いずれか一方の
偏光ビームスプリッタの入射面には波長板が貼付られて
いるので、前記反射光は互いに異なる４つの偏光成分に
分離される。
【００２８】
【実施例】以下本発明の一実施例を図面を用いて説明す
る。
【００２９】図２は実施例のエリプソパラメータ測定方
法を採用したエリプソメータ全体を示すブロック図であ
る。図中１は軽金属材料で形成されたケースに収納され
たエリプソメータ本体である。このエリプソメータ本体
１から出力された各光強度Ｉ1 ，Ｉ2 ，Ｉ3 ，Ｉ4 はＡ
／Ｄコンバータ２でデジタル値に変換された後、演算部
としてのパーソナルコンピュータ３へ入力される。この
パーソナルコンピュータ３は、入力された各光強度Ｉ1
，Ｉ2 ，Ｉ3 ，Ｉ4 を用いてエリプソパラメータψ，
Δを算出する。さらに、この算出されたエリプソパラメ
ータψ，Δを用いて測定対象としての試料面４の膜厚ｄ
を所定の演算式を用いて算出する。
【００３０】ここで、Ａ／Ｄコンバータ２は各光強度Ｉ
1 ，Ｉ2 ，Ｉ3 ，Ｉ4 を時分割して順番にＡ／Ｄ変換し
ていく。なお、１個の光強度の変換時間は約１０μsec
である。したがって、パーソナルコンピュータ３におけ
る計算時間も含めて、試料面４上のサンプリングされた
１つ測定点のエリプソパラメータψ，Δおよび膜厚ｄの
測定時間は約１００μsec である。なお、各光強度Ｉ1
，Ｉ2 ，Ｉ3 ，Ｉ4 は同時に測定して電圧保持回路で
保持するので、たとえ試料面４が高速で移動したとして
も十分対処できる。
【００３１】図１は、前記エリプソメータ本体１の内部
構成図である。例えば半導体レーザのレーザ光源５から
出力された単一波長を有するレーザ光線は偏光子６で基
準方向に対して−４５°の直線偏光に変換される。した
がって、レーザ光源５および偏光子６は光源部７を構成
する。直線偏光に変換された入射光８は光源部７から試
料面４へ角度φで入射される。なお、前記基準方向は、
試料面４側から見て図中矢印Ａ方向で示すように、入射
光８の入射面に対して平行な方向を方位０°とする方向
である。ここで、入射面とは入射光８および反射光９を
含む資料面４に垂直な平面である。
【００３２】そして、試料面４で反射された反射光９は
試料面４の膜の存在によって、直線偏光から図３に示し
た楕円偏光になり、無偏光ビームスプリッタ１０へ入射
される。
【００３３】無偏光ビームスプリッタ１０は例えば無偏
光ガラス板で構成されている。そして、入射された反射
光９は全く偏光されずに楕円偏光状態を保持したまま二
つの光１１ａ，１１ｂに分岐される。反射された反射光
１１ａは１／４波長板１２ａを介して第１の偏光ビーム
スプリッタ１３へ入射する。また、透過した透過光１１
ｂは直接第２の偏光ビームスプリッタ１４へ入射する。
【００３４】第１，第２の偏光ビームスプリッタ１３，
１４は同一構成を有しており、例えばグラントムソンプ
リズム，グランテーラープリズム等で構成され、入射し
た楕円偏光を有する光を互い直交する２方向の偏光成分
に分離してそれそれ透過光および反射光として出力す
る。なお、透過光がある角度で２成分に分かれるウォラ
ストンプリリズム等であってもよい。
【００３５】そして、第１の偏光ビームスプリッタ１３
は、この第１の偏光ビームスプリッタ１３の透過光１３
ａの偏光方向が入射面に平行な方向を方位０°とした前
述した基準方向に対して受光器１５ａ側から見て反時計
回りに＋４５°になるように位置決めされている。そし
て、第１の偏光ビームスプリッタ１３から出力された偏
光方向が＋４５°の透過光１３ａは受光器１５ａへ入射
される。受光器１５ａは受光した偏光成分の光強度Ｉ1
に対応する信号を出力する、また、第１の偏光ビームス
プリッタ１３から出力された偏光方向が必然的に−４５
°となる反射光１３ｂは受光器１５ｂへ入射され、光強
度Ｉ2 に変換される。
【００３６】さらに、第２の偏光ビームスプリッタ１４
は、この第２の偏光ビームスプリッタ１４の透過光１４
ａの偏光方向が前記基準方向に対して＋４５°になるよ
うに位置決めされている。そして、第２の偏光ビームス
プリッタ１４から出力された偏光方向が＋４５°の透過
光１４ａは受光器１５ｃへ入射され、光強度Ｉ3 に変換
される。また、第２の偏光ビームスプリッタ１４から出
力される偏光方向が−４５°となる反射光１４ｂは受光
器１５ｄへ入射され、光強度Ｉ4 に変換される。
【００３７】第１の偏光ビームスプリッタ１３へ入射さ
れる反射光１１ａの光路に１／４波長板１２ａが介挿さ
れているので、第１の偏光ビームプリッタ１３へ入射さ
れる楕円偏光された反射光１１ａのＰ偏光，Ｓ偏光の位
相差が９０°だけ変化する。よって、各受光器１５ａ〜
１５ｄへ入射する偏光成分の値が異なる。すなわち、各
受光器１５ａ〜１５ｄから得られる反射光９の楕円偏光
における各偏光成分は、いわば、 cosΔと sinΔとの両
方の情報を含んでいるものとなる。そして、前述したよ
うにこれら４つの光強度Ｉ1 〜Ｉ4 を用いて図３の楕円
偏光を特定するエリプソパラメータψ，Δが算出され
る。 tan Δ＝｛［σR （Ｉ1 −Ｉ2 ）］／［σT （Ｉ3 −Ｉ4 ）］｝ …(2) tan ψ＝［（σR 2 −σT 2 ）／２］ ×［｛σR （Ｉ1 −Ｉ2 ）｝2 ＋｛σT （Ｉ3 −Ｉ4 ）｝2 ］1/2 ÷［σR 2 （Ｉ1 ＋Ｉ2 ）−σT 2 （Ｉ3 ＋Ｉ4 ）］ …(3)
【００３８】ただし、無偏光ビームスプリッタ１０のＰ
偏光，Ｓ偏光の振幅反射率比σR および振幅透過率比σ
T は固有な値であり、既知の直線偏光または楕円偏光を
有する試験光をこの無偏光ビームスプリッタ１０へ入射
して、真のエリプソパラメータψ，Δからのずれ量から
逆算して予め求めておく。また、位相差Δの計算の際に
は、下記に示すσR （Ｉ1 −Ｉ2 ），σT （Ｉ3−Ｉ4
）の正負の条件に従って、象限（ゾーン）を判別す
る。すなわち、σR （Ｉ1 −Ｉ2 ）＝Ａ，σT （Ｉ3 −
Ｉ4 ）＝Ｂとすると下記のようになる。 (1) Ａ＞０，Ｂ＞０の場合、 第１象限（ ０°＜
Δ＜ ９０°） (2) Ａ＞０，Ｂ＜０の場合、 第２象限（ ９０°＜
Δ＜１８０°） (3) Ａ＜０，Ｂ＜０の場合、 第３象限（１８０°＜
Δ＜２７０°） (4) Ａ＜０，Ｂ＞０の場合、 第４象限（２７０°＜
Δ＜３６０°）
【００３９】したがって、算出された位相差Δが第１象
限から第４象限までのどの象限に所属するのかも同時に
判断できる。その結果、得られた位相差Δの真の値がΔ
であるのか、または（３６０°−Δ），（９０°−
Δ），…であるのかが正確に判断できる。したがって、
振幅比ψ，および所属象限を含めた位相差Δのエリプソ
パラメータが求まると、別途計算式を用いて試料面４に
おける膜厚ｄを算出する。
【００４０】このように構成されたエリプソメータであ
れば、各受光器１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄにて同
時刻で検出された４つの各光強度Ｉ1 ，Ｉ2 ，Ｉ3 ，Ｉ
4 からパーソナルコンピュータ３において(2)(3)式を用
いてほぼ瞬時にエリプソパラメータψ，Δが算出される
ので、それに続いて試料面４における膜厚ｄもほぼ瞬時
に算出される。
【００４１】したがって、測定対象がたとえ高速で移動
していたとしても、指定された測定点における膜厚ｄが
測定可能となる。したがって、光源部７から入射光８を
出力させた状態で、測定対象を一定速度で移動させなが
ら、一定周期でもって各光強度Ｉ1 〜Ｉ4 を読取ってエ
リプソパラメータψ，Δの算出と膜厚ｄを算出していけ
ば、例えば工場の検査ラインにおいて連続して移動して
いく帯状製品の表面の膜厚ｄを連続してオンライン状態
で測定できる。
【００４２】また、図１に示すように、試料面４の楕円
偏光された反射光を異なる４つの偏光成分に分離して各
偏光成分の光強度Ｉ1 〜Ｉ4 を同一タイミングで読取っ
ているので、従来のエリプソメータのように、異なる条
件の偏光成分を得るために、回転検光子や１／４波長板
の挿脱機構を設ける必要がない。よって、全部の光学部
品を固定部材のみで構成でき、可動部材を使用しないの
で、装置全体を小型軽量に構成できる。したがって、工
場の製造現場等の狭い場所にも据付けることが可能とな
り、適用範囲を広げることができる。
【００４３】さらに、位相差Δは、その値の範囲に係わ
らずこの位相差Δを精度よく求めることができる、例え
ば、従来装置において試料面４に対する入射光が直線偏
光の場合においては位相差Δが９０°や２７０°近傍の
値における測定精度は他の場所に比較して非常に悪い
が、本発明のエリプソメータにおいては、たとえ位相差
Δが９０°や２７０°近傍の値であっても精度よく測定
できる。
【００４４】これを実証するために発明者等は、図１に
示すエリプソメータにおいて、種々の既知の膜厚ｄを有
する試料面４に対して入射光８を入射させて、種々の形
状の楕円偏光を有する反射光９を作成して、各楕円偏光
のエリプソパラメータを測定した。その結果、０°から
３６０°までの各位相差Δに対して、測定誤差を最大５
％でかつ平均３％に抑制できた。また、振幅比率ψの測
定誤差は約５％であった。図４は実施例のエリプソメー
タをシリコンウェーハーの酸化膜厚の分布測定装置に組
込んだ状態を示す図である。
【００４５】ベース２１上に移動テーブル２２が設けら
れ、この移動テーブル２２上に回転支持台２３が取付け
られている。そして、この回転支持台２３上に測定対象
としてのシリコンウェーハー２５が例えば吸着機構によ
って取付けられる。したがって、シリコンウェーハー２
５は回転しながら矢印方向に直線移動する。ベース２１
上にはシリコンウェーハー２５全体の厚みを測定する既
存の厚み測定装置２６が配設され、また、この厚み測定
装置２６の対向位置にエリプソメータ本体２７が支持部
材２８にて固定されている。
【００４６】そして、厚み測定装置２６およびエリプソ
メータ本体２７は移動テーブル２２および回転支持台２
３にて螺旋状に移動しているシリコンウェーハー２５の
各測定位置における全体の厚みと酸化膜の厚みｄを測定
する。また、移動テーブル２２の位置とシリコンウェー
ハー２５の回転角度は装置内に組込まれたコンピュータ
によって制御されている。したがって、測定位置と測定
結果とは１対１で対応しており、例えばＣＲＴ表示装置
の表示画面上で視覚的に即座に把握できる。
【００４７】実施例装置の効果を確認するために、図４
の実施例装置と回転検光子を用いた従来装置との比較を
行った。入射光として直線偏光を測定対象へ６２°の入
射角度で入射する光学系を用いた。また、測定対象とし
て屈折率１．６５で膜厚ｄ＝８００nmの窒化膜が上面に
形成されたシリコンウェーハー２５を用いている。
【００４８】この場合、膜厚ｄが８００nmであるので、
窒化膜が形成されている部分におけるエリプソパラメー
タの位相差Δは理論上９４．１°となり、窒化膜が形成
されていない部分は当然位相差Δは０°である。
【００４９】よって、回転検光子を用いた従来装置で測
定する場合、窒化膜が形成されている部分に対しては入
射光を円偏光とし、窒化膜が形成されていない部分に対
しては入射光を直線偏光にする必要がある。したがっ
て、このような条件のシリコンウェーハー２５を測定す
る場合には、窒化膜が形成された部分に対しては例えば
１／４波長板を挿入し、窒化膜が形成されていない部分
に対しては１／４波長板を取り外して測定する必要があ
る。よって、シリコンウェーハー２５上のどの点を測定
する場合においても、１／４波長板を挿入した状態と１
／４波長板を抜き取った状態との２回の測定を実施しな
ければならない。実験に採用した直径６インチのシリコ
ンウェーハー２５全面を２mm間隔で約５０００点測定す
るのに約５時間要した。したがって、実際問題としてこ
の従来装置を実際のシリコンウェーハーの製造検査ライ
ンで使用することは不可能である。
【００５０】これに対して、４つの光強度を一度に測定
する実施例装置においては、１点測定するのに測定点を
移動させる時間を加えても約２ｍsec であり、同一のシ
リコンウェーハー２５を測定するに要する時間は約１０
secであった。したがって、実際の製造検査ラインに十
分組込める処理速度である。
【００５１】このように、エリプソメータが高速化かつ
小型化されたので、既存の厚み測定装置２６に対して付
加的に設置可能となった。半導体プロセスラインでは上
記シリコンウェーハーの他に、窒化膜、ポリシリコン
膜、透明電極材等のオンライン計測への応用が可能であ
る。
【００５２】図５は本発明の他の実施例に係わるエリプ
ソメータの概略構成を示す図である。図１と同一部分に
は同一符号が付してある。したがって重複する部分の説
明を省略する。この実施例においては、１／４波長板１
２ｂが第２の偏光ビームスプリッター１４へ入射される
無偏光ビームスプリッター１０からの透過光１１ｂの光
路に介挿されている。そして、図１における１／４波長
板１２ａは除去されている。
【００５３】このように構成されたエリプソメータにお
いては、第２の偏光ビームスプリッター１４へ入射され
る透過光１１ｂにおける楕円偏光のＰ偏光，Ｓ偏光の位
相差が９０°変化するので、結果的に各受光器１５ａ〜
１５ｄに４つの異なる偏光成分が入射される。よって、
図１の実施例と同様な動作を得ることができる。
【００５４】また、図６に示すエリプソメータにおいて
は、第１の偏光ビームスプリッタ１３に入射する光路に
図１と同じ１／４波長板１２ａが挿入され、第２の偏光
ビームスプリッタ１４に入射する光路に１／２波長板２
９ｂが挿入されている。このような構成であっても、各
偏光ビームスプリッタ１３，１４へ入射される各楕円偏
光された光のＰ偏光，Ｓ偏光に９０°の差が生じるの
で、各受光器１５ａ〜１５ｄに４つの偏光方向が異なる
各偏光成分が入射される。したがって、先の実施例とほ
ぼ同様の効果を得ることができる。
【００５５】また、図７，図８，図９は、それぞれ図
１．図５，図６に示す各エリプソメータにおける試料面
４に対する入射光８および反射光９の光路にそれぞれ１
／４波長板１２ｃ，１２ｄ、または１／２波長板２９
ｃ，２９ｄを挿入した実施例である。このように、試料
面４の入射路および反射路に波長版を挿入することによ
って、入射光８のＰ偏光、Ｓ偏光の位相差を任意に変更
することが可能である。
【００５６】図１０においては、無偏光ビームスプリッ
タ１０の反射光１１ａおよび透過光１１ｂにおけるそれ
ぞれ異なる偏光成分を取出す２組の光学系として無偏光
ビームスプリッタと検光子とを用いている。
【００５７】すなわち、反射光１１ａが１／４波長板１
２ａを介して入射される第１の無偏光ビームスプリッタ
３０と、この第１の無偏光ビームスプリッタ３０の反射
光における前記基準方向に対する＋４５°方向の偏光成
分を取出す検光子３２ａ，および、この第１の無偏光ビ
ームスプリッタ３０の透過光の−４５°方向の偏光成分
を取出す検光子３２ｂを設けている。
【００５８】また、透過光１１ｂが直接入射される第２
のの無偏光ビームスプリッタ３１と、この第２の無偏光
ビームスプリッタ３１の反射光の＋４５°方向の偏光成
分を取出す検光子３３ａ，および、この第２の無偏光ビ
ームスプリッタ３１の透過光の−４５°方向の偏光成分
を取出す検光子３３ｂを設けている。
【００５９】このように偏光ビームスプリッタの代りに
無偏光ビームスプリッタと検光子との組合わせ光学系を
用いても、光学系が多少複雑になるので、エリプソパラ
メータΔ，ψの計算式を若干修正する必要があるが、基
本的には、図１の実施例と同じ効果を得ることができ
る。
【００６０】図１１，図１２，図１３，図１４，図１５
に示す各エリプソメータは、図５，図６，図７，図８，
図９に記載した各実施例のエリプソメータにおける各偏
光ビームスプリッタ１３，１４が図１０の実施例で説明
した各無偏光ビームスプリッタ３０，３１および各検光
子３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂに置換えられてい
る。したがって、図５〜図９の実施例とほぼ同じ効果を
得ることが可能である。
【００６１】図１６は本発明のさらに別の実施例に係わ
るエリプソメータの概略構成を示す模式図である。図１
の実施例と同一部分には同一符号を付して重複する部分
の説明を省略する。
【００６２】この実施例においては、第１の偏光ビーム
スプリッタ３６から出力される透過光３６ａの偏光方向
が前述した基準方向に対して９０°方向に向くように、
この第１の偏光ビームスプリッタ３６の姿勢が固定され
ている。そして、第２の偏光ビームスプリッタ３７から
出力される透過光３７ａの偏光方向が前記基準方向に対
して＋４５°方向に向くように、この第２の偏光ビーム
スプリッタ３７の姿勢が固定されている。したがって、
必然的に、第１の偏光ビームスプリッタ３６の反射光３
６ｂの偏光方向が＋０°方向を向き、第２の偏光ビーム
スプリッタ３７の反射光３７ｂの偏光方向が−４５°方
向を向く。また、１／４波長板１２ａは４５°傾けて設
置されている。
【００６３】したがって、各受光器１５ａ〜１５ｄから
得られる各光強度Ｉ1〜Ｉ4 を用いてエリプソメータ
ψ，Δが算出される。よって、図１の実施例とほぼ同様
の効果を得ることができる。
【００６４】図１７，図１８，図１９，図２０，図２１
に示す各エリプソメータは、図５，図６，図７，図８，
図９に記載した各実施例のエリプソメータにおける各偏
光ビームスプリッタ１３，１４の姿勢角度を図１６に示
すように、基準方向に対して偏光方向が１／４波長板が
挿入されている方は、０°，９０°方向に向き、そうで
ない方は、＋４５°，−４５°方向に向くように設定さ
れている。したがって、図５〜図９の実施例とほぼ同じ
効果を得ることが可能である。
【００６５】図２２は本発明のさらに別の実施例に係わ
るエリプソメータの概略構成を示す模式図である。図１
の実施例と同一部分には同一符号を付して重複する部分
の説明を省略する。
【００６６】この実施例においては、試料面４の楕円偏
光を有する反射光９は複合ビームスプリッタ４０へ入射
される。複合ビーススプリッタ４０は、４角形断面形状
を有する無偏光ガラス４１と、入射面の一部が無偏光ガ
ラス４１の上面に例えば接着剤で固定され、この入射面
に１／４波長板４２が貼付けられた第１の偏光ビームス
プリッタ４３と、入射面が無偏光ガラス４１の出射面に
接合された第２のビームスプリッタ４４とで一つの光学
部品として形成されている。
【００６７】そして、試料面からの反射光９は無偏光ガ
ラス４１の入射面で楕円偏光状態を維持したまま反射光
４１ａと透過光４１ｂとに分岐される。無偏光ガラス４
１で反射された反射光４１ａは１／４波長板４２に垂直
に入射する。一方、透過光４１ｂは無偏光ガラス４１内
を透過して第２の偏光ビームプリッタ４４の入射面に垂
直に入射する。すなわち、この複合ビームスプリッタ４
０の反射光９に対する姿勢角度、および無偏光ガラス４
１の入射面の角度が、反射光４１ａおよび透過光４１ｂ
が第１，第２の偏光ビームスプリッタ４３，４４の入射
面に垂直に入射するように調整されている。
【００６８】また、第１の偏光ビームスプリッタ４３
は、１／４波長板４２を介して入射した反射光４１ａを
前記基準方向に対して４５°方向の偏光成分を有する透
過光４３ａと−４５°方向の偏光成分を有する反射光４
３ｂとに分離し、それぞれ受光器１５ａ，１５ｂへ入射
させる。同様に、第２の偏光ビームスプリッタ４４は、
無偏光ガラス４１を透過して入射した透過光４１ｂを前
記基準方向に対して４５°方向の偏光成分を有する透過
光４４ａと−４５°方向の偏光成分を有する反射光４４
ｂとに分離し、それぞれ受光器１５ｃ，１５ｄへ入射さ
せる。
【００６９】このようなエリプソメータにおいて、第１
の偏光ビームスプリッタ４３へ入射される反射光４１ａ
の光路に１／４波長板４２が介挿されているので、第１
の偏光ビームプリッタ４３へ入射される楕円偏光された
反射光４１ａのＰ偏光，Ｓ偏光の位相差が９０°だけ変
化する。よって、各受光器１５ａ〜１５ｄへ入射する偏
光成分の値が異なる。すなわち、各受光器１５ａ〜１５
ｄから得られる各光強度には tanψ， cosΔ， sinΔの
情報が含まれている。したがって、図１の実施例と同様
に各受光器１５ａ〜１５ｄにて得られる各光強度Ｉ1 〜
Ｉ4 を用いて図３の楕円偏光を特定するエリプソパラメ
ータψ，Δが算出される。よって図１の実施例とほぼ同
様の効果を得ることが可能である。
【００７０】さらに、この実施例においては、試料面４
からの反射光９を互いに異なる４っの偏光成分に分離す
るための複数の光学要素を例えば接着剤等で互いに接合
して一つの光学部品に構成している。したがって、この
エリプソメータを製造する場場合における組立作業およ
び調整作業が大幅に簡素化される。また、長期に亘る稼
働期間においても部品点数が少ないので、点検保守作業
が簡素化される。さらに、装置全体を小型，軽量に形成
できる。
【００７１】図２３は図２２の実施例において、各偏光
ビームスプリッタの光軸回りの取付角度を変更して、各
偏光ビームスプリッタにて取出される偏光成分の各方向
を変化させた実施例である。
【００７２】すなわち、この実施例おいては、第１の偏
光ビームスプリッタ４５にて取出される偏光成分の方向
を前記基準方向に対して９０°および０°に設定されて
いる。
【００７３】このように構成されたエリプソメータにお
いても、それぞれ独立した方向の光強度Ｉ1 〜Ｉ4 が得
られるので、図２２の実施例とほぼ同様の効果を得るこ
とができる。図２４の実施例においては、図２２の実施
例における１／４波長板４２を第２の偏光ビームスプリ
ッタ４４の入射面に移動させている。
【００７４】すなわち、この実施例においては、無偏光
ガラス４１の透過光４１ｂは１／４波長４２ａを介して
第２の偏光ビームスプリッタ４４へ入射され、４５°方
向および−４５°方向の偏光成分が取出される。よっ
て、各受光器１５ａ〜１５ｄにてそれぞれ独立した方向
の光強度Ｉ1 〜Ｉ4 が得られるので、図２２の実施例と
ほぼ同様の効果を得ることができる。
【００７５】また、図２５の実施例においては、図２３
の実施例における１／４波長板４２を第２の偏光ビーム
スプリッタ４６の入射面に移動させている。それと同時
に、検出する方向も第１の偏光ビームスプリッタ４５で
は、＋４５°，−４５°方向に、第２の偏光ビームスプ
リッタ４６では、＋９０°，０°方向にに変更されてい
る。すなわち、この実施例においては、無偏光ガラス４
１の透過光４１ｂは１／４波長板４２ａを介して第２の
偏光ビームスプリッタ４６へ入射され、９０°方向およ
び０°方向の偏光成分に分離される。よって、各受光器
１５ａ〜１５ｄにてそれぞれ独立した方向の光強度Ｉ1
〜Ｉ4 が得られるので、図２３の実施例とほぼ同様の効
果を得ることができる。
【００７６】図２６は本発明の他の実施例における複合
ビームスプリッタ４０における無偏光ガラス４１と第１
の偏光ビームスプリッタ４５との接合部分の詳細図であ
る。この実施例においては、第１の偏光ビームスプリッ
タ４５の入射面の一部に段部４５ｃを形成して、この段
部４５ｃに無偏光ガラス４１の上面４１ｃが嵌入するよ
うに構成されている。このような係合部を構成すること
によって、光軸合わせがより正確になるとともに、複合
ビームスプリッタ４０を竪牢なものにできる。
【００７７】なお、２つの光の位相を相対的に変化させ
る波長板としては、図１の実施例におけるような１枚の
１／４波長板以外に、図６の実施例に示すように、各光
路に１枚ずつ介挿させる様態であってもよい。また、図
示しないが、波長板を同一光路に置く態様であってもか
まわない。
【００７８】
【発明の効果】以上説明したように本発明のエリプソパ
ラメータ測定方法およびエリプソメータにおいては、測
定対象にて反射された楕円偏光を有する反射光を互いに
異なる４つの偏光成分に分離して各偏光成分の光強度を
検出して、この４つの光強度からエリプソパラメータを
算出している。したがって、従来手法のように検光子を
回転させる必要なく、また１／４波長板を測定対象に入
出力する光路に対して挿脱する必要がない。
【００７９】よって、光学測定系を固定部材のみで構成
でき、可動部材を使用したことに起因する可動所要時間
を省略でき、１度の測定でほぼ瞬時にエリプソパラメー
タを測定できるので、たとえ移動状態の測定対象に対し
てもオンライン状態でエリプソパラメータが測定でき、
かつ膜厚も測定できる。さらに、算出された位相差がい
ずれの象限に所属するかが同時に把握できる。また、広
い膜厚範囲に亘って高い測定精度を維持できる。また、
可動部分が存在しないので、装置全体を小型軽量に形成
でき、製品の製造検査ライン等における狭い場所にも設
置できる。さらに、複合ビームスプリッタを用いること
によって、装置全体をより一層小型軽量化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例エリプソメータの本体内部構造を示す
図、
【図２】 実施例エリプソメータ全体構成を示す図、
【図３】 実施例エリプソメータにおける反射光の楕円
偏光を示す図、
【図４】 実施例エリプソメータを用いたシリコンウェ
ーハーの酸化膜厚測定装置の概略構成図、
【図５】 図１の実施例の他方側に波長板を用いた実施
例構造を示す図、
【図６】 ２つの波長板を用いた実施例構造を示す図、
【図７】 試料面の入射路および反射路に波長板を挿入
した実施例構造を示す図、
【図８】 同試料面の反射路のみ波長板を挿入した実施
例構造を示す図、
【図９】 同試料面の反射路のみ波長板を挿入した実施
例構造を示す図、
【図１０】 検光子を用いた実施例構造を示す図、
【図１１】 検光子を用いた他の実施例構造を示す図、
【図１２】 検光子を用いた他の実施例構造を示す図、
【図１３】 検光子を用いた他の実施例構造を示す図、
【図１４】 検光子を用いた他の実施例構造を示す図、
【図１５】 検光子を用いた他の実施例構造を示す図、
【図１６】 互いに異なる偏光方向に設定された偏光ビ
ームスプリッタを用いた実施例構造を示す図、
【図１７】 互いに異なる偏光方向に設定された偏光ビ
ームスプリッタを用いた他の実施例構造を示す図、
【図１８】 互いに異なる偏光方向に設定された偏光ビ
ームスプリッタを用いた他の実施例構造を示す図、
【図１９】 互いに異なる偏光方向に設定された偏光ビ
ームスプリッタを用いた他の実施例構造を示す図、
【図２０】 互いに異なる偏光方向に設定された偏光ビ
ームスプリッタを用いた他の実施例構造を示す図、
【図２１】 互いに異なる偏光方向に設定された偏光ビ
ームスプリッタを用いた他の実施例構造を示す図、
【図２２】 複合ビームスプリッタを用いた実施例構造
を示す図、
【図２３】 複合ビームスプリッタを用いた他の実施例
構造を示す図、
【図２４】 複合ビームスプリッタを用いた他の実施例
構造を示す図、
【図２５】 複合ビームスプリッタを用いた他の実施例
構造を示す図、
【図２６】 同複合ビームスプリッタの詳細構造を示す
図。
【符号の説明】
１…エリプソメータ本体、２…Ａ／Ｄコンバータ、３…
パーソナルコンピュータ、４…試料面、５…レーザ光
源、６…偏光子、７…光源部、８…入射光、９…反射
光、１０，３０，３１…無偏光ビームスプリッタ、１２
ａ〜１２ｄ…１／４波長板、１３，３６，４３，４５…
第１の偏光ビームスプリッタ、１４，３７，４４，４６
…第２の偏光ビームスプリッタ、１５ａ〜１５ｄ…受光
器、２５…シリコンウェーハー、２９ａ〜２９ｄ…１／
２波長板、３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ…検光子、
４０…複合ビームスプリッタ、４１…無偏光ガラス。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 測定対象に対して偏光した光を所定角度
    で入射させ、この測定対象の反射光をそれぞれ互いに異
    なる４つの偏光成分に分離し、この分離された４つの偏
    光成分の光強度からエリプソパラメータを求めることを
    特徴とするエリプソパラメータ測定方法。
  2. 【請求項２】 偏光した光を測定対象に所定角度で入射
    させる光源部と、前記測定対象にて反射された反射光を
    互いに異なる２方向に分岐する無偏光ビームスプリッタ
    と、この無偏光ビームスプリッタにて分岐された各光を
    それぞれ異なる２偏光方向に分離し、最終的に前記測定
    対象の反射光を４つの偏光成分に分離する複数の光学部
    材と、この複数の光学部材にて分離された各偏光成分の
    光強度を検出する４個の受光器と、この４個の受光器か
    ら検出された４つの光強度に基づいて前記反射光におけ
    る楕円偏光のエリプソパラメータを算出する演算部とを
    備えたエリプソメータ。
  3. 【請求項３】 前記複数の光学部材は、前記無偏光ビー
    ムスプリッタにて分岐された各光を基準方向に対して＋
    ４５°および−４５°方向の各偏光成分に分離する２組
    の光学系と、前記無偏光ビームスプリッタにて分岐され
    て前記各光学系に入射される各光の光路のうちの少なく
    とも一方の光路に介挿され、この光路の光の位相を他方
    の光路の光の位相に対して相対的に変化させる波長板と
    で構成されたことを特徴とする請求項２記載のエリプソ
    メータ。
  4. 【請求項４】 前記複数の光学部材は、前記無偏光ビー
    ムスプリッタにて分岐された一方の光を基準方向に対し
    て＋４５°および−４５°方向の各偏光成分に分離する
    第１の光学系と、前記無偏光ビームスプリッタにて分岐
    された他方の光を前記基準方向に対して９０°および０
    °方向の各偏光成分に分離する第２の光学系と、前記無
    偏光ビームスプリッタにて分岐されて前記各光学系に入
    射される各光の光路のうちの少なくとも一方の光路に介
    挿され、この光路の光の位相を他方の光路の光の位相に
    対して相対的に変化させる波長板とで構成されたことを
    特徴とする請求項２記載のエリプソメータ。
  5. 【請求項５】 前記測定対象に対する入射光路または反
    射光路に波長板を挿入したことを特徴とする請求項２，
    請求項３および請求項４のいずれか一項記載のエリプソ
    メータ。
  6. 【請求項６】 偏光した光を測定対象に所定角度で入射
    させる光源部と、前記測定対象にて反射された反射光を
    互いに異なる４つの偏光成分に分離する複合ビームスプ
    リッタと、この複合ビームスプリッタにて分離された各
    偏光成分の光強度を検出する４個の受光器と、この４個
    の受光器から検出された４つの光強度に基づいて前記反
    射光における楕円偏光のエリプソパラメータを算出する
    演算部とを備えたエリプソメータ。
  7. 【請求項７】 前記複合ビームスプリッタは、測定対象
    からの反射光を入射面で反射光と透過光とに分岐させる
    無偏光ガラスと、一端が前記無偏光ガラスに固定され、
    この無偏光ガラスの反射光を偏光方向が互いに９０°異
    なる方向を向く偏光成分に分離する第１の偏光ビームス
    プリッタと、前記無偏光ガラスの前記透過光の出射面に
    接合され、前記無偏光ガラスの透過光を偏光方向が互い
    に９０°異なる方向を向く偏光成分に分離する第２の偏
    光ビームスプリッタと、前記第１，第２のいづれか一方
    の偏光ビームスプリッタの入射面に貼付られた波長板と
    で構成されたことを特徴とする請求項６記載のエリプソ
    メータ。
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