JPH0650880A

JPH0650880A - エリプソメータ

Info

Publication number: JPH0650880A
Application number: JP20240292A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Yoshioka; 善文吉岡
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1992-07-29
Filing date: 1992-07-29
Publication date: 1994-02-25

Abstract

(57)【要約】【目的】１回の測定で単色光線複数波長分の測定が行
えるエリプソメータを提供する。【構成】測定試料１４に直線偏光を照射し、この時、
測定試料１４より反射して来る偏光の強度分布を、回転
検光子１５と光検出器を用いて測定することによって、
測定試料１４の光学定数及び膜厚を得る分光型のエリプ
ソメータにおいて、回転検光子１５の後方には、透過波
長の異なる複数の単色光フィルター２を、上記偏光の光
軸に対して垂直かつ同一平面上に配列すると共に、上記
光検出器を、上記複数の単色光フィルター２の透過光を
個別に受光する２次元光検出器３とした構成となってい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体や酸化物等の薄
膜の評価及び基板物質の評価に使用されるエリプソメー
タに関する。

【０００２】

【従来技術】エリプソメトリは、物体表面から反射して
くる光の偏光状態の変化を測定して、物体の光学定数あ
るいは物体表面上に存在する薄膜の光学定数及び膜厚を
知る方法であり、半導体多元混晶薄膜の測定において
は、求まった光学定数より薄膜中の元素組成比等の解析
が可能である。また、測定に波長の異なる複数の光を使
用する分光エリプソメトリにより、光学定数の波長分散
を知ることが出来る。

【０００３】図４は、従来の分光式のエリプソメータの
一例の構成例図である。図において、１０は測定に使用
する白色光線の光源、１１は上記白色光線を平行白色光
線に変換するコリメートレンズ、１２は上記平行白色光
線の内、測定に使用する任意の波長光線のみを透過させ
る分光器、１３は上記測定に使用する任意の波長の平行
光線を直線偏光に変換する偏光子である。また、１４は
測定試料、１５は上記直線偏光が測定試料１４から反射
された楕円偏光の内、特定の偏光角度毎の直線偏光のみ
を透過させる回転検光子、１６は回転検光子１５からの
透過光線の強度を検出する光検出器であり、これらは、
上記記述順に上記光線及び上記楕円偏光の光軸上に配置
された構成となっている。

【０００４】このような構成のエリプソメータの動作を
以下に述べる。ランプ等の白色光線の光源１０からの光
線は、コリメートレンズ１１によって平行白色光線に変
換されて、分光器１２に入射される。分光器１２に入射
された光線は、任意の波長の単色光線に変換されて、偏
光子１３に入射され、偏光子１３では直線偏光に変換さ
れて、載物台（不図示）に固定された測定試料１４に入
射される。測定試料１４に入射された直線偏光は、測定
試料１４に反射されて、楕円偏光に変化して、回転検光
子１５に入射される。

【０００５】ここで、上記の直線偏光の測定試料１４へ
の入射面に平行な振動成分をＲｐｅｘｐ（ｉ△ｐ）、入
射面に垂直な振動成分をＲｓｅｘｐ（ｉ△ｓ）とした
時、ｔａｎψ＝Ｒｐ／Ｒｓ △＝△ｐ−△ｓで与
えられる（ψ，△）は、測定試料１４の膜厚ｄと屈折率
ｎとの関係が予め電子計算機（不図示）で求められてお
り、（ψ，△）を求めることにより、測定試料１４の膜
厚ｄと屈折率ｎが得られるようになっている。

【０００６】ここに、図５に示すように、回転検光子１
５のｓ軸との回転角度をθとすると、回転検光子１５
（シンクロナスモータ(不図示)によって回転する）を透
過して光検出器１６へ入射される光の強度はＩ(θ)
＝Ｉo （１＋ｃｏｓ２ψｃｏｓ２θ＋ｓｉｎ２ψｃｏｓ
△ｓｉｎ２θ）のディジタル信号として表わされる。
この信号は、回転検光子１５が１回転（半回転でも良
い）する間に、光検出器１６と電子計算機（不図示）に
よって、２５６個のサンプリングされたディジタル信号
に変換された後、電子計算機（不図示）によって以下の
処理が行われる。即ち、Ｉをθに関してフーリエ変換
し、その余弦変換と正弦変換の係数をｃｏｓ２ψとｓｉ
ｎ２ψｃｏｓ△に等しいとおくことによって、（ψ，
△）が求められ、この求まった（ψ，△）から測定試料
１４の膜厚ｄと屈折率ｎが特定される。

【０００７】以上の測定及び計算を、従来は、分光器１
２を操作して単色光線の波長を変えながら所要回数行っ
ていた。ところが、このような従来のエリプソメータで
は、１回の測定では単色光線１波長分の測定値しか得ら
れないので、複数波長分の測定値が必要な場合は、その
複数回数分の測定を行わなければならない。しかし、半
導体の薄膜積層工程において、ＭＢＥ（分子線エピタキ
シ）装置やＭＯＣＶＤ（有機金属熱分解）装置にエリプ
ソメータを取り付けて、薄膜成長中の測定を行う場合、
測定対象が変化している状態である為、複数回数の測定
を行っていたのでは、同一状態での測定では無くなって
しまうと言う問題が有った。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に鑑
みて提案されるのもので、１回の測定で単色光線複数波
長分の測定が行えるエリプソメータを提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する為に
提案される、請求項１に記載の本発明によるエリプソメ
ータは、測定試料に直線偏光を照射し、この時、上記測
定試料より反射して来る偏光の強度分布を、回転検光子
と光検出器を用いて測定することによって、上記測定試
料の光学定数及び膜厚を得る分光型のエリプソメータに
おいて、上記回転検光子の後方には、透過波長の異なる
複数の単色光フィルターを、上記偏光の光軸に対して垂
直かつ同一平面上に配列すると共に、上記光検出器を、
上記複数の単色光フィルターの透過光を個別に受光する
２次元光検出器とした構成となっている。

【００１０】請求項２に記載の本発明によるエリプソメ
ータは、請求項１に記載のエリプソメータにおいて、上
記光検出器が、上記複数の単色光フィルターの各々に１
対１に対応して、上記光軸との垂直かつ同一平面上に、
複数のフォトダイオードを配列している構成となってい
る。

【００１１】

【作用】請求項１，２に記載の本発明によるエリプソメ
ータでは、分光器を除いて、回転検光子の後方に、透過
波長の異なる複数の単色光フィルターを、測定光線の光
軸との垂直かつ同一平面上に配列すると共に、光検出器
を、上記複数の単色光フィルターの透過光を同時にかつ
個別に受光する２次元光検出器としている為、測定試料
で反射された白色楕円光は、上記回転検光子によって白
色直線偏光に変換された後、上記複数の単色光フィルタ
ーによって複数の単色直線偏光となって透過されて、上
記２次元光検出器によって個別に受光されるので、白色
光線１回の測定によって異なる単色光に対する偏光の強
度分布が測定出来る。

【００１２】

【実施例】以下に、添付図を参照して本発明の実施例を
説明する。図１は、請求項１に記載の本発明によるエリ
プソメータの１実施例の構成例図である。従来例と同様
の部分は、同一符号を付して説明を省略する。図におい
て、１は回転検光子の後方に配置されて、図２に示すよ
うに透過波長の異なる複数の単色光フィルター２が同一
平面上に配置された干渉フィルター、３は干渉フィルタ
ー１を透過して来た複数の単色光線の強度を、個別に検
出する２次元光検出器（例えばＣＣＤ）である。

【００１３】このようなエリプソメータの動作を以下に
説明する。ランプ等の白色光線の光源１０からの光線
は、コリメートレンズ１１によって平行白色光線に変換
されて、偏光子１３に入射され、偏光子１３では白色の
直線偏光に変換されて、測定試料１４に入射される。測
定試料１４に入射された白色の直線偏光は、測定試料１
４に反射されて、白色の楕円偏光に変化して、回転検光
子１５に入射される。

【００１４】ここで、回転検光子１５（シンクロナスモ
ータ(不図示)によって回転する）を透過した光の強度
は、従来例と同様にＩ(θ)＝Ｉo （１＋ｃｏｓ２ψ
ｃｏｓ２θ＋ｓｉｎ２ψｃｏｓ△ｓｉｎ２θ）のデ
ィジタル信号として表わされる。回転検光子１５を透
過した光は、干渉フィルター１を透過することにより、
複数の単色光フィルター２の単色の透過光に分けられ
て、各々の光の強度は弱まるが、上式のＩo が小さくな
るだけで、（ψ，△）の関係は変わらない。また、各々
の単色光フィルター２の透過光が、２次元光検出器３で
受光される位置は一定（図２参照）であるので、電子計
算機（不図示）では、各々の単色光フィルター２の透過
光の強度を表わす信号が区別出来る。

【００１５】上記のディジタル信号は、回転検光子１５
が１回転（半回転でも良い）する間に、２次元の光検出
器３と電子計算機（不図示）によって、各々の単色光フ
ィルター２の透過光毎に、２５６個のサンプリングされ
たディジタル信号に変換された後、電子計算機（不図
示）によってメモリに記憶され、以下の処理が行われ
る。即ち、各々の単色光フィルター２の透過光毎に、Ｉ
をθに関してフーリエ変換し、その余弦変換と正弦変換
の係数をｃｏｓ２ψとｓｉｎ２ψｃｏｓ△に等しいとお
くことによって、（ψ，△）が求められ、この求まった
（ψ，△）から測定試料１４の膜厚ｄと屈折率ｎが特定
される。

【００１６】図３は、請求項２に記載の本発明によるエ
リプソメータの干渉フィルター１と光検出器４の構成を
示した図である。エリプソメータ全体の構成は、上記請
求項１に記載のエリプソメータ（図１）と略同様であ
る。請求項２に記載のエリプソメータにおいて、請求項
１に記載のエリプソメータと異なるところは、図１の２
次元光検出器３に替わって、図３に示すように干渉フィ
ルター１の複数の単色光フィルター２の各々に１対１に
対応して、複数のフォトダイオード５が同一平面上に配
置された光検出器４を備えたところであり、２次元光検
出器３を使用するよりも安価に提供出来る。

【００１７】このような構成のエリプソメータの動作
は、上記請求項１に記載のエリプソメータと同様であ
る。尚、白色光線の光源１０に替えて、単色光フィルタ
ー２の透過波長と対応した波長を含んだ多波長レーザを
用いても良い。また、単色光フィルター２及びフォトダ
イオード５の配列は、放射状等色々考えられる。

【００１８】

【発明の効果】請求項１に記載の本発明によるエリプソ
メータによれば、分光器を除いて、回転検光子の後方
に、透過波長の異なる複数の単色光フィルターを、測定
光線の光軸に対して垂直かつ同一平面上に配列すると共
に、光検出器を、上記複数の単色光フィルターの透過光
を同時にかつ個別に受光する２次元光検出器としている
為、測定試料で反射された白色楕円光は、上記回転検光
子によって白色直線偏光に変換された後、上記複数の単
色光フィルターによって複数の単色直線偏光となって透
過されて、上記２次元光検出器によって個別に受光され
る。この為、白色光線１回の測定によって異なる単色光
に対する偏光の強度分布が同時に測定出来るので、状態
が変化する測定対象でも素早く（１秒以内）分光測定が
出来る。また、分光器が不要である為、装置が小型にな
り、コスト的にも有利である。

【００１９】請求項２に記載の本発明によるエリプソメ
ータによれば、上記光検出器が、上記複数の単色光フィ
ルターの各々に１対１に対応して、上記光軸に対して垂
直かつ同一平面上に配置した、複数のフォトダイオード
で構成されている為、安価に提供出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１に記載の本発明によるエリプソメータ
の構成例図である。

【図２】請求項１に記載の本発明によるエリプソメータ
の構成例の内、干渉フィルターと２次元光検出器の構成
例を示した図である。

【図３】請求項２に記載の本発明によるエリプソメータ
の構成例の内、干渉フィルターと複数のフォトダイオー
ドから成る光検出器の構成例を示した図である。

【図４】従来のエリプソメータの構成例図である。

【図５】回転検光子のｓ軸との回転角度θを説明する為
の図である。

【符号の説明】

１・・・干渉フィルター２・・・単色光フィルター３・・・２次元光検出器４・・・複数のフォトダイオードから成る光検出器５・・・フォトダイオード１０・・・白色光線の光源１１・・・コリメートレンズ１２・・・分光器１３・・・偏光子１４・・・測定試料１５・・・回転検光子１６・・・光検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定試料に直線偏光を照射し、この時、上
記測定試料より反射して来る偏光の強度分布を、回転検
光子と光検出器を用いて測定することによって、上記測
定試料の光学定数及び膜厚を得る分光型のエリプソメー
タにおいて、上記回転検光子の後方には、透過波長の異
なる複数の単色光フィルターを、上記偏光の光軸に対し
て垂直かつ同一平面上に配列すると共に、上記光検出器
を、上記複数の単色光フィルターの透過光を個別に受光
する２次元光検出器としたことを特徴とするエリプソメ
ータ。
【請求項２】上記光検出器が、上記複数の単色光フィル
ターの各々に１対１に対応して、上記光軸との垂直かつ
同一平面上に、複数のフォトダイオードを配列している
ことを特徴とする、請求項１に記載のエリプソメータ。