JPH11258050A - 偏光解析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来の装置においては、被測定試料の大型化が
進むにつれ装置が大型化することは避けられなかった。
面測定型の偏光解析装置においては１回の測定における
測定点数は非常に大きいが、視野はそれに反比例して小
さくなり、被測定物全体の測定に要する時間は長くな
る。この発明は上述したこれらの問題点を解決し、１回
での測定が高速に行える偏光解析装置を提供することを
目的とする。 【解決手段】この発明では、被測定試料に光を射出し反
射光を取り入れたりするための窓を備えたパッケージの
中に、偏光子と検光子とを設けるよう構成したユニット
を被測定試料に近接するように枠に１個以上取り付け
る。外部にあるコンピューターによって光出力、及び偏
光子と検光子の方位角を制御しつつ、反射光の光量を測
定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 この発明は半導体などの被
測定試料の膜厚や屈折率を測定するために使用される偏
光解析装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】 偏光解析装置は光源、偏光子、検光
子、光検出器を用いるが、従来の装置においてはそのお
のおのを独立の装置として組み合わせる構成であった。

【０００３】偏光解析装置の１つの構成は比較的細い光
束を被測定試料の１点にあてて、反射光をホトマルチメ
ーターなどの光検出器を用いて測定する。（１点測定型
の偏光解析装置）その他の構成は、比較的太い半径の光
束を被測定試料の比較的広い範囲にあてて、反射光をＣ
ＣＤエリアセンサーなどの光検出器を用いて測定する。
（面測定型の偏光解析装置）

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の装置において
は、測定装置はかなりのスペースをしめ、被測定試料の
大型化が進むにつれ装置が大型化することは避けられな
かった。

【０００５】面測定型の偏光解析装置においては１回の
測定における測定点数は非常に大きいが、それでもより
細かい面内分解能で測定しようとすれば、視野はそれに
反比例して小さくなり、被測定物を走査しないと全体の
測定ができないので、被測定物全体の測定に要する時間
は長くなる。

【０００６】この発明は上述したこれらの問題点を解決
するためなされたもので、測定ユニットを１個以上枠に
取り付けて、１回での測定が高速に行える偏光解析装置
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】 上記目的を達成する
ため、この発明では、被測定試料に光を射出し反射光を
取り入れたりするための窓を備えたパッケージの中に、
射出光を直線偏光に変えるための偏光子と前記被測定試
料からの反射光を直線偏光に変換するための検光子とを
設けるよう構成したユニットを使用する。

【０００８】被測定試料の表面に近接して本発明のユニ
ットを１個以上枠に取り付ける。このユニットの内部に
光源を設けるかまたは外部の光源から光ファイバーなど
を使ってこのユニットに光を供給する。その光は偏光子
によって適当な方位角の直線偏光の斜め入射光として、
ユニットの窓から被測定試料へ射出される。被測定試料
からの反射光は検光子によってある適当な方位角を持っ
た直線偏光にされ、ユニット内部に設けた光検出器に直
接、あるいはファイバーバンドルなどによって外部の光
検出器に入射される。光出力、およびユニットに含まれ
る偏光子と検光子の方位角は外部にあるコンピューター
によって制御される。また光検出器からの電圧出力は外
部にあるコンピューターに入力される。

【０００９】

【発明の実施の形態】 本発明を偏光解析装置として使
用するためには、ユニット内部の光源を発光させるかま
たはユニット外部からユニットに光を供給し、偏光子ま
たは検光子の方位角を変化させながら被測定試料の表面
からの反射光を光検出器によって測定することによっ
て、被測定試料の表面の反射による偏光の変化を測定す
る。

【００１０】被測定試料をのせたステージは走査でき
る。十分に多くの数のユニットを取り付ければ、ユニッ
ト間の隙間を埋めて測定する程度のステージの移動で試
料全体をカバーして測定できるので、装置全体のサイズ
は小さくできる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の偏光解析装置について添付図
面を参照しながら説明する。

【００１２】図１はこの発明の第１実施例を示すもので
ある。この偏光解析装置１は、偏光解析に必要な光学系
をユニット２として被測定試料３に近接して枠４に複数
個取り付けたものである。ユニット２に近接して被測定
試料３はステージ５上に置かれる。ステージ５は走査で
きる。

【００１３】一定の波長を持ち、多分岐ができる光源６
から光ファイバー７によって各々のユニット２に光を供
給する。外部のコンピューター８は光量の設定、ユニッ
ト２の制御、反射光量の検出及びステージ５の制御を行
う。

【００１４】図２は第１実施例におけるユニット２のひ
とつの構成である第２実施例をあらわしている。パッケ
ージ９の中に光学素子が収められている。外部光源６か
らの光は光ファイバー７によって導かれ、パッケージ９
に取り付けた結合器１０によって取り込まれる。。

【００１５】ユニット２内部の射出側には、光ファイバ
ー１１、コリメーターレンズ１２、ＫＤＰなどの偏光子
１３があり、フォトダイオード１４は射出光のモニター
のためのものである。光ファイバー１１の先端は点光源
とみなせるように十分に細くなるよう尖っている。また
光ファイバー１１は被測定試料３に斜めに光を当てられ
るように途中で屈曲している。射出窓１５は光路と直交
するように配置されている。

【００１６】被測定試料３による反射光を測定する反射
側としては、光導波路の役割を持つ窓１６、ＫＤＰなど
の検光子１７、１個以上のピクセルを持つＣＣＤセンサ
ー１８を置く。

【００１７】ユニット２全体はパッケージ９の中に封入
されているので、光学素子の汚染や、空気の揺らぎによ
る光路の揺らぎの影響は最小限に押さえることができ
る。

【００１８】このユニット２による偏光測定の動作は、
光源６からの光を光ファイバー７によって結合器を通し
てユニット２に供給し、それをコリメーターレンズ１２
によって適当なビーム径をもった平行光とし、偏光子１
３によって直線偏光とし、射出窓１５より偏光解析に適
している角度（約７０゜）の斜め入射光として測定試料
３に照射されるようにする。電気的な手段によって偏光
子１３の方位角は適当に変えることができるので、通常
１０゜程度の間隔で０゜から１８０゜までの間を測定す
る。

【００１９】測定試料３から反射された光は光導波路１
６によってユニット２内に入射し検光子１７によって直
線偏光の成分を取り出される。その光は光検出器１７に
よって検出される。

【００２０】図３は光導波路１６の説明図である。屈折
率の高いクラッド１９の中に屈折率の低いコア２０が埋
め込まれている。クラッド１９の外側の部分は細くなっ
ていて、被測定試料３に対する入射光が互いに陰になら
ないようにする。コア２０の入り口は光路と平行である
ので、この光導波路１６をとおる光は入射反射の関係を
満たす光のみである。またコア２０の入り口は十分細か
い面内分解能で測定できるように細くなるように加工さ
れている。コア２０の出口は検光子１７に垂直になるよ
うにコア２０の経路は曲げられている。

【００２１】図４は第１実施例におけるユニット２の別
の構成である第３実施例をあらわしている。第２実施例
と異なる点は複数の異なる波長の光を１本の光路上に乗
せた光を使用していること、それらの光を分離、結合す
るためのプリズム２１，２２を備えていること、その分
離された波長の光路の各々に偏光子２３，２４，２５を
用意すること、および受光素子がカラーセンサー２６で
あることである。

【００２２】このユニット２による偏光測定の動作は、
多波長の外部光源２７から多波長の光を光ファイバー７
によってユニット２に供給し、それをコリメーターレン
ズ１２によって平行光とし、波長分離用のプリズム２１
によって複数の光路に分けその光路の各々に偏光子２
３，２４，２５を置く。各々の偏光子から出た光はフォ
トダイオード２８，２９，３０によってモニターされ
る。それらの分離された光は第２のプリズム２２によっ
て再び１本の光路に統一される。異なる波長のそれぞれ
に偏光子を設けているので、異なる波長毎に異なる偏光
状態に設定できる。その光は射出窓１５より偏光解析に
適している角度（約７０°）の斜め入射光として測定試
料３に照射される。測定試料３から反射された光は光導
波路１６によってユニット２内に入射し検光子１７によ
って直線偏光の成分を取り出される。その光はカラーセ
ンサー２６によって検出される。

【００２３】このようにして異なる波長での偏光測定を
同時に行うことができる。また被測定試料３の屈折率の
波長特性が知られていれば、３個以上の偏光子を用意
し、それぞれの方位角を違えて（たとえば０゜，４５
°，９０゜）、各波長での反射率を測定することによっ
て通常の偏光測定をリアルタイムに行うことができる。

【００２４】図５は第１実施例におけるユニット２の別
の構成である第４実施例をあらわしている。この実施例
は測定試料３に対して異なる入射角での測定が一度にで
きるようにしたものである。外部光源６から光を光ファ
イバー７によってユニット２に供給し、それをコリメー
ターレンズ１２によって平行光とし、偏光子１３によっ
て直線偏光とする。フォトダイオード１４は射出光のモ
ニターのためのものである。射出側の窓は平凸レンズ３
１になっている。

【００２５】光束は平凸レンズ３１の軸に平行に平凸レ
ンズ３１に当たるようにするので、光線のそれぞれは異
なる角度によって平凸レンズ３１の焦点に集まる。反射
側の窓には多数の光導波路３２が形成されている。それ
ぞれの光導波路３２の入り口は平凸レンズ３１の焦点の
位置に一致するような角度になっている。その焦点の位
置を被測定試料３の表面に一致させることによって異な
る入射角度での測定を一度に行うことができる。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、小型
な偏光測定ユニットを多数個並列的に装置に取り付ける
ことによって同時に多数の並列的な偏光測定をおこなう
ことができ、かつ光学系の主要部がパッケージ内にある
ので外部環境の影響を受けない信頼性の高い測定を行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の第１実施例を示す図である。

【図２】 この発明に使われるユニットの一つの構成を
示す第２実施例を説明する図である。

【図３】 この発明に使われる光導波路の断面図であ
る。

【図４】 この発明に使われるユニットの他の構成を示
す第３実施例を説明する図である。

【図５】 この発明に使われるユニットの他の構成を示
す第４実施例を説明する図である。

【符号の説明】

１ 偏光解析装置 ２ ユニット ３ 被測定試料 ４ 枠 ５ ステージ ６ 光源 ７ 光ファイバー ８ コンピューター ９ パッケージ １０ 結合器 １１ 光ファイバー １２ コリメーターレンズ １３ 偏光子 １４ フォトダイオード １５ 射出窓 １６ 窓 １７ 検光子 １８ ＣＣＤセンサー １９ クラッド ２０ コア ２１ プリズム ２２ プリズム ２３ 偏光子 ２４ 偏光子 ２５ 偏光子 ２６ カラーセンサー ２７ 光源 ２８ フォトダイオード ２９ フォトダイオード ３０ フォトダイオード ３１ 平凸レンズ ３２ 光導波路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定試料の偏光特性を測定するための装
   置であって、光が透過する窓を備えたパッケージの中に
   偏光子と検光子を搭載した小型な偏光測定ユニットを１
   個以上上記被測定試料に近接するように枠上に取り付
   け、偏光子または検光子の方位角を制御しつつ上記被測
   定試料による反射光の光量を測定することを特徴とする
   偏光解析装置。