JPH05264440A - 偏光解析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 ガラスのような光透過性の試料の裏面からの
反射光の影響を除去して試料の表面の特性を正確に測定
できるようにした偏光解析装置を提供する。 【構成】 本偏向解析装置は、光源部１と受光部４とを
備えた光学系と試料３との相対位置を変える相対位置調
整装置８を設け、試料３からの反射光の高さ方向のビー
ム解析に基いて相対位置調整装置８により光学系と試料
３との相対位置を設定し、試料３の表面からの反射光の
みが受光部４側へ入射できるように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えば液晶ディスプレイ
製造プロセスにおいてガラス基板状に付けた膜の膜厚，
膜質などの検査装置として利用され得る偏光解析装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】周知のように光学的に平らな試料の表面
に偏光を当てて反射光を観測すると、物体表面の性質に
対応して敏感に反射光の偏光状態が変わり、このような
偏光状態の変化を測定することによって試料の表面の状
態を調べるのが偏光解析法である。すなわち、原理的に
は試料の表面（等方でなめらかな平面）に直線偏光が斜
めに入射すると、反射光は入射角と異なった偏光状態に
なり、試料が金属やガラスのような透明体でも表面層が
存在する場合には、反射光は一般に楕円偏光になり、こ
の入射光に対する反射光の偏光状態の変化を光学的に解
析して、物体の光学定数、あるいは表面層（薄膜）の厚
さと屈折率を求める方法が偏光解析法（エリプソメトリ
ー）と呼ばれ、その測定装置はエリプソメータと呼ばれ
ている。

【０００３】偏光解析法は同一光路にある２つの振動成
分を使う（振動面分割）干渉法であって光路の乱れがな
いために別々の光路を通った光を合成する通常の干渉計
に比べて、精度、感度共に非常に優れており、膜厚は原
理的には１オングストロームまでも求められると考えら
れている。最近では、光源としてレーザーを用いるよう
になり、レーザー光の４大特性（単色性、光出力、指向
性、偏光性）をすべて活用して、測定精度を大幅に向上
したり、またコンピュータによる数値計算の迅速な処理
により実用性も向上されている。

【０００４】このように、偏光解析法による薄膜の評価
は、膜厚と屈折率を同時に極めて正確に測定できるの
で、種々の応用性があり、例えば薄膜の成膜や加工プロ
セスの中で偏光解析を利用したモニタリングは、膜厚や
膜組成の精密な評価が可能となり、特に精密な制御が要
求されてきている半導体プロセス、レンズや干渉フィル
タ等の光学素子の膜の評価等において有効な役割を果た
すようになってきた。

【０００５】このような偏光解析を利用した装置の例と
しては特公昭52−46825 号公報、特公昭54−14952 号公
報及び特公昭56−19576 号公報に開示されたものを挙げ
ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】偏光解析は、試料の反
射光の偏光状態から試料の反射面の性質を求めるもので
あるが、従来提案されている偏向解析装置では、試料が
ガラスのように透明で厚さが１mm程度になると試料の裏
面からの反射光が表面からの反射光と一部重なり正確な
測定ができないという問題があった。

【０００７】図14に示すようにレーザービームの試料Ａ
への入射角をψ、試料Ａの屈折率をＮ、厚さをＤとする
とビーム間Ｌは、スネルの法則 sin ψ＝Ｎ・sin θ Ｌ＝２・Ｄ・tan θ・sin （90゜−ψ） より与えられる。通常光源として用いられるレーザービ
ームは１φで、例えば試料Ａが厚さＤ＝1.1mm 、屈折率
Ｎ＝1.53のガラス基板から成り、レーザービームのガラ
ス基板への入射角ψ＝70゜とすると、表面反射と裏面反
射のビーム間隔Ｌはスネルの法則により求めると、0.58
mmとなり、裾部で交わっているのが認められる。

【０００８】そこで、本発明は、特にガラスのような光
透過性の試料の裏面からの反射光の影響を除去して試料
の表面の特性を正確に測定できるようにした偏光解析装
置を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明によれば、光源部と受光部とを備えた光学
系を有し、一定の偏光状態にある光を試料に入射し、反
射光の偏光状態を受光部側で測定するようにした偏光解
析装置において、上記光学系と試料との相対位置を変え
る相対位置調整装置と、試料からの反射光の高さ方向の
ビーム解析を行なうビーム解析手段とを有し、このビー
ム解析手段から出力信号に基いて相対位置調整装置によ
り光学系と試料との相対位置を設定し、試料の表面から
の反射光のみが受光部側へ入射できるように構成したこ
とを特徴としている。好ましくは、相対位置調整装置は
試料の載せられるステージの高さを調整するステージ高
さ調整装置から成ることができる。

【００１０】

【作用】このように構成した本発明の偏光解析装置にお
いては、相対位置調整装置を用いて、ビーム解析手段に
よる試料からの反射光の高さ方向のビーム解析（微分処
理）に基いて光学系と試料との相対的な位置（すなわち
光学系またはステージの高さ）を変えることにより、受
光部側へ試料の表面からの反射光だけが入るようにする
ことができ、それにより試料の裏面からの反射光の影響
を受けずに正しい測定が可能となる。

【００１１】

【実施例】図１には本発明の一実施例による偏光解析装
置を概略的に示し、この実施例は試料を載せるステージ
の高さを調整する構造のものである。図１において１は
光源部で、レーザービームを高さ位置調整可能なステー
ジ２上に装着された試料３の表面に入射するようにされ
ている。４は受光部で、試料３から反射してきた反射光
を通すスリット５と、検光子６と、光検出器７とを備え
ている。８はステージ２の高さ位置を調整する装置で、
例えばステッピングモータ等の適当な高さ位置微調整装
置から成ることができる。また受光部４におけるスリッ
ト５の形状は光の分離をし易くするため四角形や丸形の
下部を覆って半円形にしたものが好ましい。

【００１２】図示装置において、受光部４における検光
子６を一定の角度で止め、ステージ高さ調整装置８によ
りステージ２の高さを上げていくと、図２のａに示すよ
うに光強度が変化する。これは、試料３の表面からの反
射光と裏面からの反射光が合成されたものである。両反
射光の微分を取ると、図２のｂに点線で示すような波形
が得られる。この曲線において１つ目の山が試料３の表
面からの反射光で、２つ目の山が試料３の裏面からの反
射光である。従ってこのように波形解析を行った後、ス
テージ２の高さを試料３の表面からの反射の成分だけが
スリット５内にはいる位置例えば図２のｂに示す表面反
射のピークに相当する高さＺの位置に調整する。この状
態で、偏光解析を行えば正しい測定が可能となる。この
場合、実際の試料の厚さも微妙に異なり、また光源部か
らのレーザービームの試料への入射角を変更した場合も
試料３と受光部４との相対位置が変わるが、このような
場合でも上記のように波形解析（微分処理）を行ない、
ステージ高さ調整装置８によりステージ２に高さを調整
することによって、正しい測定を行なうことができる。
測定できる試料３の厚さは使用するレーザービーム径に
関係して制限され、すなわわビーム径１φのレーザービ
ームを使用した場合には、実際にはそのレーザービーム
の光強度は 0.6φにほとんど集中しているので、試料の
表面から反射したビームと裏面から反射したビーム間が
0.3φとなる試料厚さ及び屈折率が限界となる。

【００１３】試料３に対するレーザービームの入射角を
ψ、試料３の屈折率をＮ、またその厚さをＤとすると、
ビーム間Ｌは、上述の式で与えられるので、例えばψ＝
70゜及びＮ＝1.53の時にはθ＝37.89 ゜、Ｌ＝0.53・Ｄ
・(mm)となり、従って、Ｄ＞0.57mmとなる。また屈折率
は同じで、すなわち同一試料で入射角をψ＝60゜にする
と、θ＝34.47 ゜、Ｌ＝0.69・Ｄ・(mm)となり、従っ
て、Ｄ＞0.43mmが得られる。

【００１４】図３のａには試料の屈折率Ｎと測定可能な
試料の厚さＤとの関係を示し、また図３のｂには、Ｎ＝
1.53のときの入射角ψと測定可能な厚さＤとの関係を示
す。この場合、レーザービームの直径を１φで計算して
いるが、レーザービームの直径を 0.5φ以下に絞ればさ
らに測定可能な試料の厚さは薄くなることが認められ
る。

【００１５】次に図４に示すフローチャートを参照して
装置の動作について説明する。 測定フロー 1) まずＰ角（偏光子角）を決めるため１度測定を行な
う（この場合には試料の裏面からの反射が入っていても
かまわない）（図５参照）。 2) 受光部４における検光子６を一定の位置（例えば、
センサー位置）で止める。 3) ステージ高さ調整装置８を作動してステージ２の高
さを下げて、受光部４のスリット５からレーザービーム
が２mm程度はずれるようにする（図６参照）。 4) 次にステージ２の高さを0.01mmずつ上げながら光強
度を測定していき３mm程度スキャンする（図７及び図８
参照）。 5) 波形解析を行い、１つ目の山のピーク位置Ｚを求め
る（このピーク位置は光強度を２次微分し最初にプラス
からマイナスに変化する位置で探すことができる（図９
参照）。 6) ステージ２の高さ位置をピーク位置Ｚに設定し、ス
リットを通って図11に示すような波形部分が入るように
して検光子６を回転し偏光解析を行なう（図10参照）。 これにより薄いガラス基板の光学定数測定やその上の膜
の膜厚測定を再現性良く行なうことができ、本発明の装
置を用いて実際に測定した波形データを図12及び図13に
示し、また下表には本発明による装置による実際の測定
データを従来装置によるものと比較してと例示する。

【００１６】測定データ１ 試料：CORNING 7059（厚さＤ＝1.1mm 、屈折率Ｎ＝1.5
3）1) 従来装置により裏面反射が入っている測定デー
タ 入射角ψ＝69.8゜ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・NO. P.ANG PSI DELTA NS KS ・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・1. 179.7 21.8 2.0 1.439 0.027 ・ ・2. 179.7 21.9 4.8 1.439 0.066 ・ ・3. 179.7 22.1 3.7 1.430 0.051 ・ ・4. 177.3 20.4 1.8 1.496 0.024 ・ ・5. 177.5 20.5 2.8 1.493 0.039 ・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 平均値：NS=1.459、KS=0.041 2) 本発明の装置により裏面反射がカットされて測定し
たデータ 入射角ψ＝69.8゜ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・NO. P.ANG PSI DELTA NS KS ・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・1. 179.5 19.6 1.6 1.531 0.025 ・ ・2. 179.7 19.7 1.4 1.530 0.019 ・ ・3. 179.7 19.6 1.8 1.531 0.024 ・ ・4. 179.7 19.7 1.0 1.528 0.014 ・ ・5. 179.7 19.6 2.3 1.531 0.031 ・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 平均値：NS=1.530、KS=0.022 測定データ１から従来装置により裏面反射が入っている
測定データでは屈折率Ｎの値が違っているが、本発明の
装置により裏面反射がカットされて測定したデータでは
屈折率Ｎが正しく測れていることが認められる。

【００１７】測定データ２ ＩＴＯの膜厚Ｄと屈折率Ｎ センター繰り返し 入射角ψ＝69.8゜、 NS= 1.52 、 KS=0.02 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・NO. P.ANG PSI DELTA N K D(A) PERIOD ・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・1. 22.1 10.2 315.8 2.004 0.000 530. 1787. ・ ・2. 22.0 10.1 315.8 2.003 0.000 533. 1788. ・ ・3. 22.1 10.1 315.8 2.003 0.000 531. 1788. ・ ・4. 22.0 10.1 315.9 2.002 0.000 534. 1789. ・ ・5. 22.0 10.1 315.9 2.002 0.000 533. 1789. ・ ・6. 22.0 10.1 315.9 2.002 0.000 533. 1789. ・ ・7. 22.1 10.1 315.9 2.002 0.000 534. 1789. ・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 平均値：NS=2.002、D= 533A ＩＴＯの膜厚Ｄと屈折率Ｎ 分布 入射角ψ＝69.8゜、 NS= 1.52 、 KS=0.02 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・NO. P.ANG PSI DELTA N K D(A) PERIOD・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・1. 22.1 10.1 316.1 2.000 0.000 537. 1792. ・ ・2. 22.1 9.5 316.5 1.992 0.000 566. 1801. ・ ・3. 22.1 11.2 317.7 2.001 0.000 489. 1790. ・ ・4. 22.1 10.9 316.7 2.005 0.000 499. 1786. ・ ・5. 22.0 10.1 315.8 2.002 0.000 533. 1789. ・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 平均値：NS=2.000、D= 525.A

【００１７】ところで、図示実施例では試料を載せるス
テージを上下に動かして光学系と試料との相対位置を調
整するようにしているが、代わりに試料に対して光学系
の相対位置を調整するようにしてもよい。

【００１８】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明による
偏光解析装置においては、光学系と試料との相対位置を
変える相対位置調整装置を設けて光透過性の試料におい
てその裏面から反射してきた光が受光部へ入らないよう
に構成しているので、試料の裏面からの反射光の影響を
受けずに偏光解析を行なうことができ、その結果、精度
よく測定を行なうことができ、例えば薄いガラス基板の
光学定数測定やその上の膜の膜厚測定においても再現性
良く行なうことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を示す概略ブロック線図。

【図２】 ａは試料の表面及び裏面からの反射光の光強
度とステージの高さとの関係を示すグラフ。ｂは試料の
表面及び裏面からの反射光の波形解析を示す図。

【図３】 ａは試料の屈折率と測定可能な厚さとの関係
を示すグラフ。ｂはレーザービームの入射角と測定可能
な試料の厚さとの関係を示すグラフ。

【図４】 本発明の装置の動作を説明するフローチャー
ト。

【図５】 本発明の装置の測定動作の第１段階を示す概
略線図。

【図６】 本発明の装置の測定動作の第２段階を示す概
略線図。

【図７】 本発明の装置の測定動作の第３段階を示す概
略線図。

【図８】 本発明の装置の測定動作の第３段階における
反射光を示すグラフ。

【図９】 本発明の装置の測定動作における波形分析を
示すグラフ。

【図１０】 本発明の装置の測定動作における偏光解析
状態を示す概略線図。

【図１１】 本発明の装置の測定動作の偏光解析状態に
おける受光部のスリットに入る反射光の部分を示す概略
線図。

【図１２】 実際の測定における波形データを示すグラ
フ。

【図１３】 別の試料に対する実際の測定における波形
データを示すグラフ。

【図１４】 光透過性の試料の表面及び裏面からの反射
光を示す概略線図。

【符号の説明】

１：光源部 ２：ステージ ３：試料 ４：受光部 ８：相対位置調整装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源部と受光部とを備えた光学系を有
   し、一定の偏光状態にある光を光透過性の試料に入射
   し、反射光の偏光状態を受光部側で測定するようにした
   偏光解析装置において、上記光学系と試料との相対位置
   を変える相対位置調整装置と、試料からの反射光の高さ
   方向のビーム解析を行なうビーム解析手段とを有し、こ
   のビーム解析手段からの出力信号に基いて相対位置調整
   装置により光学系と試料との相対位置を設定し、試料の
   表面からの反射光のみが受光部側へ入射できるように構
   成したことを特徴とする偏光解析装置。
2. 【請求項２】 相対位置調整装置が試料の載せられるス
   テージの高さを調整するステージ高さ調整装置から成る
   請求項１に記載の偏光解析装置。