JPH06504845A - 同時多数角度／多数波長の楕円偏光器および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 同時多数角度／多数波長の楕円偏光器および方法技術分野 本発明は、サンプルとの相互作用による光の偏光状態の変化を測定して、そのサ ンプルの特性を決定する楕円偏光器および楕円偏光法に関する。

背景技術 化オランダ物理学出版社（Ｎｏｒｔｈ−Ｈｏｌｌｅ＋＋ｄ　Ｐｂ７ｓｉｃｓ　Ｐ ＋＋とエフ。エム、バシャラ（Ｎ、　Ｍ、Ｂ＊ｓｂ＊ｒ＊　）によって規定され た楕円偏光法は、２つの媒体のあいだの境界または膜における現象の特徴づけと 観察に関する光学的技術であり、偏光状態の変化を利用するものである。この偏 光状態の変化は、境界または膜から偏光のビームが反射したとき、または通過し たときに起こる。以下の２つの要因が、楕円偏光法をとくに魅力的なものとして いる。

（１）摂動のない（ｎｏｎ−ｐｅｒｊ＋ｕｂｔＢ）本質的な特性（光ビームの波 長および強度が適性に選ばれたとき）と、その結果としての源位ｆｆ１Ｉ！測定 の安定性。

（２）たとえば、まばらにちらばる原子や分子のほぼ単一の層の形成など、境界 における現象を正確に測定する注目すべき感度。

様々な自然界および人工の系における状況において、境界および膜は重要な役割 を果たしており、楕円偏光法は広い範囲の分野に適用されるようになった。たと えば、工学、電子工学、機械工学、金属工学、生体工学、物理学、化学、材料科 学、写真科学などである。

楕円偏光法は、旋光分析（ｐｏｌｘｔｉｍｅＨｙ　）　、一般旋光分析（Ｈｅｎ ｅｔｘｌｉｔｅｄ　ｐｏｌ＊ｒｉｓｅｆｒＹ）　、または、完全旋光分析（ｃｏ ｍｐｌｅｔｅ　ｐｏｌＩｒｉｗｅＨ７）と呼ばれることもある。

サジプルとの相互作用が光の通過に関し、偏光状態の変化がサンプルの表面特性 や体積特性および膜に依存するばあいとくに、これらの呼名は、より一般的であ る。

前記書物においてアッザムとバシャラはさらに、楕円偏光法は一般には偏光ベク トル波（ｐｏｌ＊ｔｉｓｅｄ　ｖｅｃｌｏｒ　ｖａマｅ）の偏光状態の測定法で あると定義されていると述べている。楕円偏光法は一般には、偏光状態を変化さ せる“光学系”についての“情報”をうるために行われる。

一般に楕円偏光法においては、偏光した波長が研究中の光学系と相互反応せしめ られる。相互反応は波長の偏光状態を変化させる。適切な数の異なる初期状態に 対して偏光の初期状態と最終状態とを測定して、前記システムによる偏光状態の 変化の法則をたとえば、ジョーンズまたはミュラー行列を用いて決定する。前記 光学系について、ジョーンズまたはミュラー行列によりえられる情報よりも基本 的な情報をうるために、電磁光学によりシステム内における光と物質との相互作 用（ｌｉｌｋｌ−ｍｓｔｌｅｔ　ｉｎｌｅｒｔｃｌｉｏｍ）を検査する必要があ る。言い換えると、前述のような外部における挙動に応答しうる内部における偏 光変化プロセスの詳細を、系の測定されたジッーンズまたはミュラー行列によっ て検討する必要がある。

楕円偏光法と偏光に示された一般的な楕円偏光器の作動因が図１に示されている 。適切な光源（Ｌ）からのビームが可変偏光子（Ｐ）を通過して、偏光状態の分 かっている光を作る。この光が研究中の光学系（Ｓ）と相互作用し、その偏光状 態が変化する。光学系（Ｓ）からの出力における偏光状態の変化が、偏光分析器 （Ａ）によって測定（分析）される。偏光分析器（Ａ）には、光検出機構（Ｄ） が接続されている。光の研究中のサンプルとの相互作用が波長によって変化する ばあいには、単色光光源を使用する必要がある。または、準単色光部（その波長 は分かっている）を分離する手段が提供される必要がある。

光波が光学系と相互作用できるひとつの道は、光学系（Ｓ）の・表面からの反射 である。この反射により、偏光状態が突然変化する。このような変化は、入射面 に対して平行（ｐ）および垂直（８）な２つの直線偏光（ｌｉｎｅｓｒ　ｐｏｌ ＊ｒｉｔｇｊｉｏｎ　）に対するフレネル反射係数を使用して、説明することが できる。光波が光学系と相互作用できる他の道は、光学系の通過である。偏光状 態の変化がサンプルからの反射（または、斜め通過）など、光ビームと研究中の サンプルとの相互作用の角度に依存するとき、入射光は一度にただひとつの入射 角だけが測定されうるように可能な限り平行にされる。

ドループ（Ｄｒｕｄｅ　）の時代には、反射楕円偏光法は表面および薄膜の研究 のために重要なツールであると認識されていたと、アッザムとバシャラは説明し ている。多くの有用な適用のなかには、以下のようなものがある。

（１）材料の光学特性とその振動数依存性（波長のばらつき）の測定。この材料 は液層内にあっても固層内にあってもよく、光学的に等方性であっても異方性で あってもよい。そして、かさばっていても薄膜状であってもよい。

（２）準単一層からの薄膜の成長（たとえば、不純物の酸化、堆積、吸着または 拡散による成長）またはそのような薄膜の剥離（たとえば、離脱、スパッタリン グまたは拡散による剥離）など、表面における現象の観察。

（３）光学特性に影響を及ぼす、電界、磁界、応力または温度などの物理的要因 の測定。

楕円偏光法の原理についての説明や、反射工程、測定工程およびデータ整理につ いての討議は、工業的研究（ｌｎｄ＋＋５ｊｒｔｔｌ　Ｒｅ５ｅｔｔｃｌ＋　） 　（１９７５年９月）に掲載されたクチヤード。エフ、スパニアー博士（Ｄｒ、 Ｒｉｃｂ＊ｔｄ　Ｆ、　ＳＦ轟真ｉｅｒ　）による“楕円偏光法、１世紀古い新 技術（Ｅｌｌｉｐｓｏｗｅｌｔ７　Ａ　Ｃｇａｔ＋ｕ７０１ｄ　Ｎｅｗ　Ｔｅｃ ｈｎｉｑｕｅ）″に記載されている。この文献は本明細書において参考文献とし て記載されている。スパニアー博士の文献に記載された従来の楕円偏光器の図解 が図２Ｂに記載されている。他にも多くの型の自動または手動で操作される楕円 偏光器が従来から知られている。前記文献において、楕円偏光法は、タンジェン トマ、反射時の振幅比の変化、およびΔの測定を含むとスパニアー博士は述べて いる。Δは、反射時の位相角の変化である。ΔとＷの大きさは、表面の光学定数 （ｏｐ口ｃ＊Ｉ　ｃｏａｓｌｎｆ）　、使用される光の波長、入射角、周囲の媒 体の光学定数、膜で覆われた表面に対する光学定数、および膜の厚さと光学定数 の関数である。

このように、反射光の中で偏光状態を変化させるサンプル特性についての情報を 計算可能とするために、いくつかの数学的モデルにしたがって、偏光状態、入射 角および波長を、サンプルの物理的な特性に変換する必要がある。たとえば、表 面上のフィルムの屈折率、厚さ、吸収率などの特性、または、露出表面の光学定 数などが計算されうる。同様にして、通過光のばあいにも、かさ高の材料の複屈 折などの特性が計算されうる。偏光状態の変化の各楕円偏光測定から、Δに対す るひとつの値およびマに対するひとつの値がえられる。他のソースから残りの特 性に対する値が分かるばあい、このように、２つの表面特性（膜で覆われている か、または覆われていない）または２つの体積特性（通過光のばあい）が計算さ れることが最も好ましい。

しばしばこの分野において、膜で覆われた表面について、これらの特性よりも多 くの特性を計算することができることがある。たとえば、２以上の入射角（多く の入射角が好ましい）において、Δの値とマの値とが分かつているばあいである 。理論的に、測定された独立する各Δに対してひとつの特性を計算することがで き、測定された独立する各マに対してひとつの特性を計算することができる。し かし、多くの異なる角度に対してΔとマを決定することがより好ましい。したが って、特定のサンプルに対してできるだけ多くの入射角を測定することが有利で ある。しかし、過去において、このことが行われないことが多かった。なぜなら 、スキャニング技術の使用中における各角度において個別の測定を継続して行う ことによりデータをうるのは厄介であったからである。

異なる入射角の光に対する情報を同時にうるために、異なった不連続のすべての 角度の複数のビームを有する同一の機構を複数有する楕円偏光器を提供すること も提案された。これらの楕円偏光器は、本質的には、知られているタイプの楕円 偏光器を複数組み合わせて、それらを同時に使用するものである。この技術は同 時に測定することができる角度の数によって制限される。なぜならば、複数の楕 円偏光器が必要だからである。このことは、そのようなシステムの最初のコスト を大幅に増加させ、メンテナンスを大幅に困難にする。

以下に述べる米国特許は、その楕円偏光法および楕円偏光器に関する開示と関連 して引用される。

４．０３０．８３６　４．０７７．７２０４．０５２，６６６　４，４３４，０ ２５４．０５３，２３２　４，４７２，６３３４．５１６，８５５　４，７２５ ，１４５４．５８５．３４ｇ　４，８３４，５３９４．６４７．２０７　４，８ ３７．６０３４、６５３．９２４　４．８５０．７１１４．６５５，５９５　４ ，８６６．２６４発明の開示 この分野において、大変多くの入射角を一度にすばやく測定することができ、操 作員に繁雑な作業やスキャニングをしいることなく、ただひとつの楕円偏光器と ただひとつのビームだけが必要とされる、改良された楕円偏光法と楕円偏光器が 必要である。本発明の目的はそのような改良された楕円偏光法と楕円偏光器を提 供し、それにより、前述の従来の方法および楕円偏光器の問題点を克服すること である。

さらに詳しくは、本発明の目的は、単一の光ビームから入射角のある範囲の全て においてサンプルを同時に照射することができ、全角度範囲における異なる角度 または角度範囲に対する大変多くのデータの迅速で簡単な収集が可能となる改良 された楕円偏光法と楕円偏光器を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、角度と同様に異なる波長における大変多くのデータ の簡単な収集が可能となる、前述の改良された楕円偏光法と楕円偏光器を提供す ることであ゛る。

本発明のさらに他の目的は、サンプル領域上の実際に照射される場所を非常に小 さくすることができ、異なる入射角のすべての光線が実質的に同一のサンプル領 域を評価しうる、前述の利点を有する改良された楕円偏光法と楕円偏光器を提供 することである。

本発明のこれらおよび他の目的は、本発明の楕円偏光法により達成される。本発 明の楕円偏光法は、偏光を表面などの研究中の光学系に照射すること、および、 表面と相互作用した光の偏光状態を観察すること、つまり、たとえば表面から反 射した光および（または）表面とかさ高の材料とを通過した光を分析することを 含む。そこでは、単一の光ビームからの偏光が研究中の光学系に異なる入射角で 同時に照射される。従来の楕円偏光器はサンプルを光ビームで照射するように構 成されている。光ビームは楕円偏光器の設計上の制約内において、できるだけ平 行になるようにされる。たとえば、サンプルに当たるすべての光線がほぼ同一の 入射角となる。しかし、単一の光ビームから多くの角度でサンプルに偏光を当て ることにより、そして、複数の異なる入射角のそれぞれに対して表面から反射し た光（または、表面とかさの高い材料とを通過した光）を検出する複数の光検出 器の使用により、多数の入射角のそれぞれに対してΔとマのかたちでデータを迅 速にうろことができ、それにつき、複数の光検出手段のそれぞれによって、反射 した光または通過した光を個別に検出することができるということを、本出願人 は発見した。

開示された具体例においては、平行な光を１または２以上のレンズに通して表面 上に集束させることにより、入射角の異なる光かえられる。レンズは、ある範囲 内で変化する入射角で光を表面上に集束させるための焦点距離の比に対する有効 径を有する。あるサンプルに対しては、１度から２度ぐらいの小さな角度範囲が 有用であるが、２度から３０度よりも大きい入射角の範囲が好ましい。

入射角の範囲が大きくなると、装置の有用性と多用性とが良くなる。異なる入射 角で表面上に照射される光は、もっとも一般的な楕円偏光した光である。本発明 の一形態においては光は単色光であるが、他の形態においては偏光は多色光であ ってもよく、そのばあいには、フィルター、モノクロメータ−またはスペクトロ メーターなどの波長分離手段（ｖｓマｅｌｅＢｔｂ　ｉｇｏｌｘ目６ＩＩＨＨｓ ）が設けられていて検出器がΔとＷの一回の測定においてただひとつの準単色光 部を検出することをを確実とする。本発明のさらに他の形態においては、偏光は 、共通の光軸に沿って光を発するように配置された２または３以上の光源（単色 光光源であっても多色光光源であってもよい）からえられる。そこでは、単に適 切な光源を選ぶだけで、前記光源のうちのどのひとつからの光でも選択すること ができる。または、可動ミラーによって選択することができる。または、他の光 源をシャッター、フィルターまたはモノクロメータ−で遮断することにより選択 できる。

または、それらを組み合わせることによって選択することができる。偏光は、サ ンプル表面の同一の場所に異なる入射角で同時に向けられる。図示された実施例 においてはこの場所の直径は１０ミクロンである。

本発明の楕円偏光法によって異なる複数の入射角のそれぞれについて表面から反 射した光またはサンプルを通過した光を検出する工程では、光検出手段の配列が 使用される。これらの光検出手段は、いろいろな角度で反射した光またはいろい ろな角度で通過した光を受けて検出するように配置される。本発明のひとつの形 態においては、前記配列は直線状の配列である。入射角の異なる複数の光のそれ ぞれは、複数の光検出手段のそれぞれによって同時に個別に検出される。一実施 例においては、反射した光を１または２以上のレンズを通過させて再度集束させ 、検出する前に偏光状態を分析する。他の実施例においてはレンズは必要ない。

本発明の方法は、表面から反射した光（または材料を通過した光）を（波長に応 じて）分光し、そして、反射（通過）して分光された光の波長の変化を、たとえ ば偏光の中央光線の入射面に対して横方向に配置された光検出手段の配列をさら に使用して検出する工程をさらに含みうる。この方法により、波長の変化と入射 角の変化との両方を同時に検出することが可能になる。

本発明の楕円偏光器は、偏光を発して研究中の光学系と相互作用をさせる手段、 光学系からの反射および（または）光学系の通過などにより研究中の光学系と相 互作用した光の偏光状態を分析する手段を含む。本発明の楕円偏光器においては 、前記偏光を発する手段は、単一の光ビームから研究中の光学系に向けて異なる 入射角の偏光を同時に発する手段を含む。本発明の開示された形態は、偏光を偏 光円錐（ｃｏａｅ　ｏｆ　ｐｏｌｓｒｉＸｅｄ　ｌ１Ｉｋｔ　）で光学系上の単 一の場所に発する工程を含む。単一のビームを光学系上に光を集束せしめるレン ズに通過させて、偏光円錐はうることができる。このレンズは、少なくとも１度 または２度の範囲内で変化する入射角で光を表面上に集束させるための焦点距離 の比に対する有効径を有する。入射角の範囲は前述のように３０度に等しいか、 または、それよりも大きいことが好ましい。

楕円偏光器の、偏光の中央光線の入射面内に配置された、反射光または通過光を 検出する、検出器の直線状の配列は、半導体チップに一体化された固状の感光性 検出器であることが好ましい。とくに、感光性検出器は、それぞれが個別の検出 器として機能し、サンプルを照らす光線の狭い範囲の入射角を検出する光ダイオ ードであることが好ましい。それに代えて、完全に個別の検出器または光電子増 倍管を使用することができる。そして（または）検出中においてスキャニング技 術を採用することもできる。

単に図解のために本発明のいくつかの実施例を示す添付図面と関連して参照され れば、以下の記載から、本発明の、これらの目的、他の目的、特徴および利点は 、より明らかになるであろう。

図面の簡単な説明 図１は、一般的な楕円偏光計の操作ブロック図を示し１、そこでＬは光源を示し 、Ｐは制御された偏光器を示し、Ｓは計測を行なうときの光学系を示し、Ａは可 変偏光解析器を示し、Ｄは光検出器を示している。

図２Ａは、公知の反射楕円偏光法におけるアレンジを概略的に示した図であり、 そこで入射される平行化された偏光光が、入射角と同−角で反射されている。

図２Ｂは、従来の消失（ｎｗｌｌｉＢ）または分光楕円偏光計（ｐｂｏｔｏｇ＋ ｅｌｔｉｃ　ｅｌｌ＋ｐｓｏｍｅｌｅｒ）を示しており、これはサンプル架台に 載置されたサンプルの表面から単−入射角で反射される偏光光の状態変化を計測 するものである。

図３Ａは、本発明の第１実施例にかかわる楕円偏光計の概略説明図である。

図３Ｂは、図３Ａの楕円偏光計に類似した、２個以上の光源を用いる楕円偏光計 の概略説明図である。

図４Ａは、図３Ａの楕円偏光計における、光の収束のためのレンズシステム、反 射光の再収束のためのレンズシステムおよびそれぞれ異なる多数の入射角で入射 した光の前記表面からの反射光を検出するための線状検出器アレイ（ｌｉｎｅｉ ｔ　ｄｅｔｃｃｔｏｒ　ａｔｔｏ）をそれぞれ単純化して示す図である。

図４Ｂは、前記サンプルを多数の入射角で透過して伝わる光を検出するようにさ れた図４Ａの楕円偏光計を単純化して示した図である。

図５は、本発明の第２実施例にかかわる楕円偏光計の一部を概略的に示した図で あり、そこでは、検出器アレイの領域にわたうて多数の波長における入射角分布 を検出するための波長分離器（ｖ＊ｗｅｌｅＢｊｂ　ｄｉｓｐｃｒｓｉＢ　ｅｌ ｔｍｅｉｔ）が備えられている。

図６は、図３Ａおよび図４Ａに示されるタイプの楕円偏光計を概略的に示す図で あって、そこには、本発明の楕円偏光法を実施するための準備におけるサンプル の適正な配置を行なうために、前記サンプルへの入射光の一部が、公知のある領 域内で遮ぎられて検出器アレイの一部が暗くされている。

図７Ａは、本発明の楕円偏光計を用いて、サンプルからえられた入射角の関数で あるプサイ（ｐｓｉ）の計測値を示すグラフである。

図７Ｂは、本発明の楕円偏光計を用いてサンプルからえられた入射角の関数であ るデルタ（ＤＥＬＴＡ）の計測値を示すグラフである。

発明を実施するための最良の形態 図３Ａに示されるタイプの本発明の楕円偏光形１は、表面２に偏光光を向けるた めの照射手段（ｓｅａｍｓ　ｆｏｒ　ｄｉｒｅｃ口ｎｇ）　と、表面で反射され た光の偏光状態を解析するための手段とから構成されている。前記照射手段は図 ２Ｂに示される従来の楕円偏光器と同様の、光源と、任意狭帯域フィルタ（ｏｐ ｔｉｏｎｉｌ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｎ５ｒｒｏｖ　ｂｓ＋＋ｄ目目ｅｒ）を備えた 光線形成光学器（ｂｅｓｉ　５ｂｘｐ＋Ｂ　ｏｐＮｃｓ）と、偏光器と、補償器 と、可変通孔とを有している。しかし、それに加えて、光源２から出た単一光線 からの偏光光を、同時に異なる入射角で表面２に向けるための手段を有する照射 手段を備えている。前記手段、すなわち、同時に異なる入射角で表面２に光を入 射せしめる手段は、収束レンズシステム７から構成されている。このレンズシス テム７は、光が表面２に集束するための焦点距離を呈するための有効径（ｅｆｌ ｅｃｔｉｙｅ　ｘｐｅＮｕｒｅ）を有しており、また、光の入射角を少くとも１ 〜２度の角度範囲にわたって変化させることができる。とくに、記載されている 好ましい実施例においては、入射角αは３０度となっている。なお、サンプル２ に対する光線のさらに大きい入射角を採用することも可能である。

収束レンズシステム７は、たとえば）Ｉｅ−Ｈｅ　レーザからの偏光光を表面２ の単一の小さい点に収束させる。図４Ａの概略図は、表面２上の単一の小さい点 に収束させられる、広範囲の入射角分布を有する複数の光線Ａ、Ｂ。

Ｃ，Ｄを示している。このように、表面２上の小さい点′に照射された光は、収 束レンズを透過する中央の光線の入射角の上下にわたって多くの入射角で入射す る光線から成り立っている。それぞれの入射光線は、その入射角と同一の角度で 反射され、図４Ａに示す光線／Ｍ、Ｂ−１Ｃ−１Ｄ−のごとく、かかる反射によ って各光線の偏光状態は変化させられる。検出器アレイ６は、それぞれの入射角 が異なる狭い範囲の多数の反射光線を個々に検出することにより、多数の入射角 におけるデータを簡易かつ迅速につるために用いられている。解析手段は、検出 器アレイ、解析器および図３Ａに示される他の要素を有しており、いくらかの実 施例においてはレンズ８で示される反射光路における追加レンズを含んでいる。

図３Ａおよび図４八に示されるように、レンズ７．８の直径ｄは、これらレンズ の有効直径に担当する。示されている実施例におけるレンズ７．８はともに直径 ｄが１８ｍ５であり、焦点距離ｌが３４１である。他の有効レンズ直径および焦 点距離であっても、入射角の角度範囲を好ましくは３０度以上とじつる範囲であ れば採用できる。レンズの直径および焦点距離は、表面２に入射する光線の入射 角の個数を増加せしめるという観点から選択される。

図４Ｂは図４Ａと類似しているが、異なるところは、図４Ｂは図４Ａのごとく光 がサンプル表面で反射されることはなく、サンプルを透過して伝播されるところ である。

再収束レンズ８は反射された（伝播された）光を検出器アレイ６に向ける。しか しながら、再収束レンズは、反射された（伝播された）光が、直接検出器アレイ に入射されつるならばとくに必要はない。レンズ７．８は、それ自体では光の偏 光状態を変化させないということは重要なことである。

検出器アレイ６は、各検出器要素９が、サンプルを照らす光線における狭い範囲 の入射角をそれぞれ検出することができるように構成された線状マルチ要素検出 器（１＋＋＋ｅＩｒ　ｍ＋＋ｌｔ＋ｐｌｅ　ｅｌｅｍｅｎｌ　ｄｉｌｅｃｊｏｒ ）である。この実施例における検出器アレイ６は、分離した検出器要素９がすべ て１個の回路チップに統合された、固体光電性検出器（ｓｏｌｉｄ−ｓｊｔｌｅ 　ｐｈｏｌｏｓｅｎｓｉｌｉｗｅ　ｄｅｔｅｅｔｏｔ）アレイである。

とくに、前記検出器は、フォトダイオードを線状に配列したものである。１個の 回路チップに統合されてはいるが、個々のフォトダイオードは独立した検出器と して作用しうる。前記実施例の線状配列は、すべてのアレイが反射（伝播）光に よって照射されたときに１２８個の異なる入射角についてのデータを提供するよ うに配列された１２８個の検出器要素から構成されている。独立した検出蓋要素 ９の個数は前記実施例におけるものより多くすることも少くすることも可能であ り、また、検出器要素はとくに単一のチップに統合される必要はなく、分離する ことができる。多数個の検出器要素を用いることにより、サンプルの表面で反射 した（またはサンプルを透過した）光を、その多数の異なる入射角の個々につい て同時に検出することが可能となる。また、本発明には反射（伝播）光をその検 出のために機械的にスキャンするように順序よく動きうる前記より少数個の検出 器要素を用いることができる。しかし、この技術はより多くの時間を必要とし、 位置精度に基づく正確さに欠ける。

各検出器要素の寸法は、この要素が照射側における単一の狭い領域だけの入射角 を検出するようにするために、反射光線の拡大域より小さくされている。各検出 器の出力は、従来の手法、すなわち、リアルタイムコンピュータによって、入射 角の個々の狭領域についてデルタ（Δ）およびプサイ（マ）なる語を用いたデー タを生ぜしめる手法に従う。このデータは従来の手法によって翻訳される。一般 に、線状アレイがどの方向に並ぶかが問題であるが、線状アレイは光学系の平面 （ｐｌｓｎｅ　ｏＩ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃｘＩ　ｓ７ｓｌｅｍ）に沿って並ぶの が好ましい。前記実施例において、線状検出器アレイ６の長袖は中央の光線の入 射平面（Ｐｉｌｌ！　ｏｆｉｎｃｉｄｅ＋＋ｃｅｌ上に、最多数の入射角を検出 すするために、中央の光線に直角に延びている。

図５に示される本発明の実施例は、図３Ａおよび図４Ａに示された実施例と類似 しているが、単色光ではなく多色光が直接サンプルに入射される点で異なってい る。

さらに、すべての入射角の反射光（伝播光）を分散させるために、反射光（伝播 光）に分散要素ｌＯが備えられている。検出器アレイ領域１１は、入射角の分布 を検出するために中央光線の入射平面に平行となるように線状に配列された検出 要素１２の複数個の柱（図５における縦列）から構成されている。検出器要素１ ２の各柱は、多数の入射角で入射した光の反射（伝播）光を検出するために、多 色光のうちの準単色部分（Ｂ＊ｓｉｍｏｍｏｃｋｒｏ曽ｔｌｉｃ　ｐｏｔ口Ｏｎ ）のみを検知する。さらに、検出器要素１３のアレイ（図５における横列）は、 中央光線の入射平面を横切るように延びている。検出器要素１３の各アレイは、 多数の入射角の光線から分離された各１個の反射（伝播）光線の波長の分布を検 出する。検出器の最少の１７レイおよび１柱は、入射角および波長分布の両方を 検出することが要求される。検出器の他のアレイおよび柱は他の有用な情報を提 供しつる。図５の楕円偏光計は、入射角および波長のスキャンを行うことな（、 入射角および波長の関数として同時の光検出を可能とする点ですぐれている。

本発明の楕円偏光計の記載から以下の点が明らかとなる。すなわち、本発明の楕 円偏光法は、偏光光をサンプルの表面に入射させ、前記表面で反射された（また はサンプルを透過して伝播した）光の偏光状態を解析することからなり、そこで は、単一光線から出た偏光光はたがいに異なる入射角でサンプルに同時に入射さ れる。本発明の前記態様においては、光は単一光線から出る偏光光の円錐形（ｃ ｏｍｅ　ｏｌ　ｐｏｌ＊ｒｉｘｅｄ　ｌｉｇｈｔ）をなしてサンプル表面に入射 される。入射角は、３０度またはそれ以上の角度範囲にわたって分布するのが好 ましいが、いくらかの実施例では２度という小さい角度範囲または２〜３０度の あいだの角度範囲を提供している。データは、多数の異なるそれぞれの入射角に ついて、サンプル表面で反射された（またはサンプルを透過した）光を検出する ことによって、前記入射角の範囲内で多数の異なる入射角について収集される。

一般に、楕円偏光法は、サンプルを照射する光の入射角の認識を必要とする。事 実、サンプルの高さおよび傾斜の位置合わせは重要な問題であり、また、テレス コープ式の顕微鏡における位置合わせの手法は、しばしばサンプル配置の手助け のために採用される。

本発明の楕円偏光計によれば、検出器アレイは単一光線の多数の入射角を同時に 計測するために使用できるだけでなく、最初に、反射面２が装置に対して適正な 面にあるのか否かを検知するためにも使用できる。それは、入射光線のうちのサ ンプル面におけるある領域内の光線を除去するとともに、その結果どの検出器（ １個であっても複数個であっても）が暗く、つまり照射されていないかを検知す ることによってなされる。この検知に基づいて、操作者はサンプル架台５の高さ を上げる（たとえば、適正な画素が暗くなるまで上げる）ことにより、サンプル の表面を変化させることができる。

図６に示されるように、遮閉要素１４は収束レンズ７からの光のうち公知のある 領域を遮り、それによって検出器アレイ６の一部に暗領域１５を形成する。もし 、適正な検出器要素が暗くなっていないときは、操作者はサンプルが適正な高さ および適正な面となるように、サンプル架台を上昇または下降させることにより 修正することができる。前記したことから、本発明の楕円偏光計および楕円偏光 法は、単一光線の入射角の全範囲が同時にサンプルを照射すること、および異な る入射角についての数多くの多種多様なデータを迅速、容易かつ正確に収集する ことを可能にしていることがわかる。検出器アレイの検出器要素の相対配置は、 たがいの関係および全データの生成中における楕円偏光計との関係に基づいて正 確に固定されているため、相対的な角度の正確さは、従来の機械的なスキャニン グ方式に比較して高い。さらに、サンプルにおける実際の照射領域をきわめて小 さくすることができるために、全光線は、実際にはサンプルにおけるほぼ同一領 域について計測されるというすぐれた点を有している。したがって、サンプルの 特性は迅速かつ正確に算出されうる。

図７Ａおよび図７Ｂは、１０度の角度範囲を有する前記実施例に従って設計、製 造された装置における多数の入射角についてえられた、実際の楕円偏光法による データを示している。これらの計測は、シリコン基板上に形成されたその厚さが １１３８オングストロームの二酸化シリコンのフィルムに対して実施された。実 線は計測されたデルタ値およびプサイ値を示し、破線は本サンプルについて算出 された理論デルタ値および理論プサイ値を示している。

図３Ｂに示される楕円偏光計は、複数個の光源、すなわち、図３Ｂに示される追 加の単色光源および多色光源といわれるものを有している点を除いては図３Ａに 示されるものと同様のものである。数個の光源は、図示のごとく、１個またはそ れ以上のミラー、光線統合器　（ｂｅｄｓｃｏｍｂｉｎｅｒ）およびシャッタに よって楕円偏光計の通常の軸に沿って光を向けるように配置されている。一方、 源は、シャッタを必要とすることなくそのうちの１個光源から光を供給するため に選択的に作動することも能である。

本発明のいくつかの実施例のみを示し、説明してきた、本発明はそれらに限定さ れることはなく、当業者がる種々の変更、変形を受けつる範囲であることが理解 れるべきである。したがって、ここに示され、述べらた詳細部に限定されること を意図したものではなく、加クレームによって包含されるような変更、変形をも べて含むことを意図している。

入射角 ＦＩＧ、７８ 入射角

Claims (42)

【特許請求の範囲】
1. １．研究中の光学系と相互作用するように偏光を方向づけることおよび前記光学 系と相互作用した光の偏りの状態の変化を測定することからなり、単一のビーム 光からの偏光が異なる入射角で光学系と相互作用するように同時に方向づけられ 、かつ、偏りの状態の変化が前記複数の異なる入射角のそれぞれについて測定さ れる楕円偏光法。
2. ２．前記光が、光学系の材料を通過することによって、前記研究中の光学系と相 互作用する請求項１記載の楕円偏光法。
3. ３．前記光が、光学系の表面から反射することによって、前記研究中の光学系と 相互作用する請求項１記載の楕円偏光法。
4. ４．前記光が、単一のビームからの円錐状偏光として、研究中の光学系の表面の 一カ所に方向づけられる請求項１記載の楕円偏光法。
5. ５．入射角が少なくとも１〜２°の範囲にわたって変化する請求項１記載の楕円 偏光法。
6. ６．入射角の範囲が２°から３０°をこえる値までである請求項１記載の楕円偏 光法。
7. ７．異なる入射角の光が、研究中の光学系上に光を集める少なくともひとつのレ ンズを介して平行な光を方向づけることにより与えられ、前記レンズが、少なく とも１〜２°の範囲にわたって変化する入射角で光を研究中の光学系上に集束さ せる、焦点距離比に対する有効開口を有している請求項１記載の楕円偏光法。
8. ８．研究中の光学系との相互作用のために異なる入射角で方向づけられる光が、 概ね、楕円形の偏光である請求項１記載の楕円偏光法。
9. ９．前記偏光が、反射させるために、前記研究中の光学システムの表面の同一の 場所に異なる入射角で同時に方向づけられる請求項１記載の楕円偏光法。
10. １０．前記場所の直径が１０ミクロン以下である請求項９記載の楕円偏光法。
11. １１．前記偏光が単色光である請求項１記載の楕円偏光法。
12. １２．前記偏光が２またはそれ以上の準単色波長領域からなり、ひとつを除く残 りすべての波長領域が所定の時間に排除される請求項１記載の楕円偏光法。
13. １３．前記測定工程が、研究中の光学系と相互作用した光を、複数の異なる入射 角のそれぞれについて検出することを含む請求項１記載の楕円偏光法。
14. １４．相互作用した光が、検出に先だって、少なくともひとつのレンズを通過す ることにより再び集められる請求項１３記載の楕円偏光法。
15. １５．複数の異なる入射角をもつ相互作用した光が同時に離れたところで検出さ れる請求項１３記載の楕円偏光法。
16. １６．複数の光検出手段が、相互作用した光を検出するために、前記偏光の入射 面内に配置されたアレイ内に設けられている請求項１３記載の楕円偏光法。
17. １７．検出した光の波長領域を準単色部分に制限することをさらに含む請求項１ ３記載の楕円偏光法。
18. １８．研究中の光学系と相互作用した光を分散させる工程および分散した光の入 射角の変化と波長の変化とを検出する工程をさらに含む請求項１３記載の楕円偏 光法。
19. １９．前記偏光が単色光である請求項１３記載の楕円偏光法。
20. ２０．研究中の光学系と相互作用するように偏光を方向づける手段と前記光学系 と相互作用した光の偏りの状態の変化を測定する手段とからなり、前記偏光を方 向づける手段が、単一のビーム光からの偏光を異なる入射角で光学系上に同時に 方向づける手段を含んでおり、かつ、前記測定手段が、研究中の光学系と相互作 用した光の偏りの状態の変化を、複数の異なる入射角のそれぞれについて測定す る楕円偏光器。
21. ２１．前記異なる入射角が少なくとも１〜２°の範囲にわたって変化する請求項 ２０記載の楕円偏光器。
22. ２２．入射角の範囲が２°から３０°をこえる値までである請求項２０記載の楕 円偏光器。
23. ２３．前記同時に方向づける手段が、研究中の光学システム上に光を集める少な くともひとつのレンズを含んでおり、該少なくともひとつのレンズが少なくとも １〜２°の範囲にわたって変化する入射角で光を研究中の光学系上に集束させる 、焦点距離比に対する有効開口を有している請求項２０記載の楕円偏光器。
24. ２４．前記偏光を方向づける手段が、楕円形の偏光を研究中の光学系上に方向づ ける請求項２０記載の楕円偏光器。
25. ２５．前記研究中の光学系上に異なる入射角で偏光を同時に方向づける手段が、 研究中の光学系上の同じ場所に異なる入射角で光を方向づける請求項２０記載の 楕円偏光器。
26. ２６．前記偏光が単色光である請求項２０記載の楕円偏光器。
27. ２７．前記方向づけ手段が、２またはそれ以上の準単色波長領域からなる偏光を 方向づけ、かつ、ひとつを除く残りすべての波長領域をある時間に選択的に排除 する手段をさらに含んでなる請求項２０記載の楕円偏光器。
28. ２８．前記分析手段が、研究中の光学系と相互作用した光を複数の異なる入射角 のそれぞれで検出する複数の検出器を有してなる請求項２０記載の楕円偏光器。
29. ２９．相互作用した光が前記検出手段によって検出される前に当該光を再び集め る少なくとも１枚のレンズをさらに有してなる請求項２８記載の楕円偏光器。
30. ３０．前記複数の検出器が、相互作用した光を検出するために偏光の入射面内に 配置された光検出器のアレイのかたちをしている請求項２８記載の楕円偏光器。
31. ３１．前記アレイが、その軸が入射面内に延びる線状の光検出器のアレイである 請求項３０記載の楕円偏光器。
32. ３２．前記検出器が、半導体チップ上に一体化された固体感光検出器である請求 項３０記載の楕円偏光器。
33. ３３．相互作用した光を分散させる手段および分散した光の入射角の変化と波長 の変化とを検出する手段をさらに有してなる請求項２０記載の楕円偏光器。
34. ３４．前記偏光が多色光である請求項３３記載の楕円偏光器。
35. ３５．前記偏光を方向づける手段が共通の光軸に沿って進む光を提供するように それぞれ配置された複数の光源からなる請求項２０記載の楕円偏光器。
36. ３６．複数の光源の少なくともひとつからの偏光が研究中の光学系に到達するの を防止する手段をさらに有してなる請求項３５記載の楕円偏光器。
37. ３７．前記防止手段が、シャッター、前記少なくともひとつの光源を消す手段お よびブロックフィルターからなる群のうちのひとつである請求項３６記載の楕円 偏光器。
38. ３８．楕円偏光法のためのサンプルを配列する方法であって、単一のビーム光か らの偏光を異なった入射角で前記サンプルの表面に方向づけて、複数の異なる入 射角のそれぞれに対し前記表面から反射された光を検出するべく前記光を検出器 のアレイ上に反射させることからなり、かつ、前記サンプルの表面に方向づけら れた光ビームの所定の領域内の光線を消滅させる工程、該消滅の結果検出器のア レイのどの領域が反射光によって照射されていないかを決定する工程、および検 出器の正しい領域が反射光によって照射されないようにサンプルの位置に必要な 調整を施す工程を含む、サンプルを配列する方法。
39. ３９．研究中の光システムと相互作用した光の振幅比ｔａｎΨの変化および位相 差Δの変化を前記複数の入射角のそれぞれに対して決定することを含む請求項１ 記載の楕円偏光法。
40. ４０．前記複数の異なる入射角のそれぞれが、狭い範囲の相互作用した光の入射 角である請求項１記載の楕円偏光法。
41. ４１．前記測定手段が、研究中の光システムと相互作用した光の振幅比ｔａｎΨ の変化および位相差Δの変化を前記複数の入射角のそれぞれに対して決定しうる 請求項２０記載の楕円偏光器。
42. ４２．前記複数の異なる入射角のそれぞれが、狭い範囲の相互作用した光の入射 角である請求項２０記載の楕円偏光器。