JPS6042901B2 - automatic ellipse meter - Google Patents

automatic ellipse meter

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JPS6042901B2
JPS6042901B2 JP51038338A JP3833876A JPS6042901B2 JP S6042901 B2 JPS6042901 B2 JP S6042901B2 JP 51038338 A JP51038338 A JP 51038338A JP 3833876 A JP3833876 A JP 3833876A JP S6042901 B2 JPS6042901 B2 JP S6042901B2
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JP
Japan
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analyzer
light beam
angle
sample
compensator
Prior art date
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JP51038338A
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Japanese (ja)
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JPS51131655A (en
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フレデリツク・エイチ・デイル
ペーター・エス・ハウジー
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International Business Machines Corp
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Publication date
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Publication of JPS6042901B2 publication Critical patent/JPS6042901B2/en
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は楕円計に関し、具体的には測定されるべき特
性を有するサンプルからの反射によつて楕円偏光された
ビームの平行成分Rp及び垂直成分Rsの間の位相差Δ
を唯一に且つ明白に決定すると同時に楕円偏光ビームの
楕円計パラメータΨを唯一に決定する楕円計に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an ellipsemeter, and in particular to a phase difference between a parallel component Rp and a perpendicular component Rs of a beam that is elliptically polarized by reflection from a sample having a property to be measured. Δ
The present invention relates to an ellipsemeter that uniquely and unambiguously determines the ellipsometer parameter Ψ of an elliptically polarized beam.

楕円計は、先行技術において周知である。古典的楕円
計において、ビームは2つの手動調節可能偏光素子を通
される。偏光素子は、ビームのあてられた検知器がゼロ
出力を発生するような角度に調節される。ゼロ出力を発
生するような偏光素子の相対的角度を測定することによ
つて、2つの楕円計パラメータΔ及びψが決定される。
ここでΔは反射ビームの電気ベクトルの平行成分Rp及
び垂直成分RSの間の位相差であり、TanlP=盟で
ある。これらのパラメータから、測定せんとする光学シ
ステムの2つの未知の特性が決定される。例えば、もし
楕円偏光されたビームが、フィルム表面上からのリニア
偏光ビームの反射によつて生じるならば、フィルムの厚
さ及び屈折率が決定される。もしビームが醜状のサンプ
ルから反射したものであれば、そのサンプルの複合屈折
率が決定される。換言すれば、一般的に光学システムの
偏光伝達関数が決定される。楕円計の特性として、平面
偏光ビームを反射して楕円偏光ビームを発生する透明フ
ィルムの厚さを測定する能力があることが分つている。
Ellipsometers are well known in the prior art. In a classical ellipsemeter, the beam is passed through two manually adjustable polarizing elements. The polarizing element is adjusted to an angle such that the beamed detector produces zero output. By measuring the relative angles of the polarizing elements that produce zero output, the two ellipsometer parameters Δ and ψ are determined.
Here, Δ is the phase difference between the parallel component Rp and the perpendicular component RS of the electric vector of the reflected beam, and TanlP=in. From these parameters, two unknown properties of the optical system that are to be measured are determined. For example, if an elliptically polarized beam is produced by reflection of a linearly polarized beam from a film surface, the thickness and refractive index of the film are determined. If the beam was reflected from a deformed sample, the complex index of refraction of that sample is determined. In other words, the polarization transfer function of the optical system is generally determined. A property of the ellipsometer has been found to be the ability to measure the thickness of a transparent film that reflects a plane-polarized beam to produce an elliptically-polarized beam.

しかし、古典的な手動作システムの欠点は、、ゼ町へを
手動作で調べるために、処理時間が遅くなることであり
、1紛の測定時間を必要とする場合もある。従つて、測
定手順を自動化する方法がいくつか開発された。このよ
うな自動楕円計装置の1つは、特願昭49一58037
号(特公昭54−10473号公報)に開示される。
However, a drawback of the classic manual system is that it slows down the processing time and may require a single measurement time due to the manual inspection of the area. Therefore, several methods have been developed to automate the measurement procedure. One such automatic ellipsometer device is disclosed in Japanese Patent Application No. 49-58037.
(Japanese Patent Publication No. 54-10473).

この出願において、第2の偏光素子(又は検光子)が連
続的に回転し、伝達された光の強度は、検光子の瞬時回
転角の関数として監視される。結果のデータから、光の
偏光状態が演鐸され、よつて角度ψ及びΔフーリエ解析
によつて決定される。上記の回転検光子による手法は、
他の自動楕円計手法と比べると、若干の望ましい特徴を
有する。
In this application, a second polarizing element (or analyzer) is continuously rotated and the intensity of the transmitted light is monitored as a function of the instantaneous rotation angle of the analyzer. From the resulting data, the polarization state of the light is calculated and thus determined by angle ψ and Δ Fourier analysis. The above method using a rotating analyzer is
It has some desirable features when compared to other automatic ellipsometer techniques.

それは高速性2.0秒内の測定)及び精度(偏光方位角
αは、0.002度の標準偏差で測定できる。)である
。回転検光子手法に伴う高精度は1部には、測定された
光強度データのフーリエ解析の使用によりもたらされる
。フーリエ級数は、定数に検光子の角回転周波数の2倍
のシヌソイダル(SinllsOidal)成分を加え
たものである。よつて強度の個別決定におけるランダム
・ノイズは、検・光子の1回転中に効果的に平均化され
、測定精度が改善される。しかし前に指摘摘した如く、
回転検光子手法は、方位及び楕円率が等しいが向きが反
対である相補的偏光状態(即ち、左回転又は右回転の偏
光状態であつて他が等しいもの)を区別することができ
ないという欠点を有する。
It has high speed (measurement within 2.0 seconds) and accuracy (polarization azimuth α can be measured with a standard deviation of 0.002 degrees). The high accuracy associated with the rotating analyzer approach results in part from the use of Fourier analysis of the measured light intensity data. The Fourier series is a constant plus a sinusoidal component twice the angular rotation frequency of the analyzer. Random noise in the individual determination of intensity is thus effectively averaged out during one revolution of the analyzer photon, improving measurement accuracy. However, as pointed out earlier,
The rotating analyzer approach suffers from the disadvantage of not being able to distinguish between complementary polarization states of equal orientation and ellipticity but opposite orientation (i.e., left-handed or right-handed polarization states, other things being equal). have

この欠点は、位相角Δの演鐸値の不明確さとなつて現わ
れる。もつとも、角度ψは明確に決定される。具体的に
云うと、角度ψは0度から90度で変化して明確である
が、Δは0度から360度まで変化するので、位相角Δ
の不明確性が生じる。勿論このΔの不明確性は、回転検
光子手法を使ノ用する場合、既知の量だけ偏光を変化さ
せた後に第2の測定を行うか、又は測定対象の標本の知
識を前もつて得ておくことによつて除去できる。
This drawback manifests itself in the ambiguity of the power value of the phase angle Δ. However, the angle ψ is clearly determined. Specifically, the angle ψ clearly varies from 0 degrees to 90 degrees, but Δ varies from 0 degrees to 360 degrees, so the phase angle Δ
This creates ambiguity. Of course, this ambiguity in Δ is due to the fact that when using the rotating analyzer technique, the second measurement is made after changing the polarization by a known amount, or the knowledge of the specimen being measured is obtained in advance. It can be removed by keeping it.

しかし、第2の測定の必要性は、回転検光子手法の利点
である速度を減少させるし、必要量の知識が・必ずしも
事前に得られるとは限らない。上記の欠点を有しない基
本的代替偏光手法が存在するが、それを楕円計に適用す
ることはできない。
However, the need for a second measurement reduces the speed advantage of the rotating analyzer approach, and knowledge of the required amount is not always available in advance. Although there are basic alternative polarization techniques that do not have the above drawbacks, they cannot be applied to ellipsometers.

例えば、クラーク(D.Clarke)及びグレンジヤ
ー(J.F.Grainger)は、遅延板及びリニア
検・光子の基本的組合せの全てを偏光計として(楕円計
としてではなく)、分類しその中の1つの組合が1回だ
けの測定によつて偏光状態を完全に決定することを示し
た。これについては2人の共著である1偏光及び光学測
定J(POlarizedLigtltar)DOpt
icalMeasurementlPergamOnl
NewYOrkll97l)を参照されたい。本発明の
目的は、楕円計パラメータΔが明確かつ唯一に決定され
る、新規なデジタルフーリエ楕円計を提供することであ
る。
For example, D. Clarke and J.F. Grainger classified all the basic combinations of retardation plates and linear detectors and photons as polarimeters (but not as ellipsometers), and one of them It was shown that the two combinations completely determine the polarization state with only one measurement. Regarding this, the authors co-authored 1 Polarized Light and Optical Measurement J (Polarized Light Measurement J) DOpt.
icalMeasurementlPergamOnl
Please refer to NewYOrkll97l). The aim of the invention is to provide a new digital Fourier ellipse meter in which the ellipse parameter Δ is determined unambiguously and uniquely.

ここでΔは、位相角即ち反射によつて楕円偏光された光
ビームの平行成分及び垂直成分の差である。他の目的は
、前記の出願に記載される回転検光子型楕円計の望まし
い特徴の全てを有しつつ、1回の測定で楕円偏光位相角
Δを明確に決定することのできる改善された自動楕円計
を提供することである。
Here Δ is the phase angle, ie the difference between the parallel and perpendicular components of the light beam that is elliptically polarized by reflection. Another object is to provide an improved automatic method capable of unambiguously determining the elliptical polarization phase angle Δ in a single measurement, while having all of the desirable features of the rotating analyzer ellipsemeter described in the aforementioned application. To provide an ellipse meter.

これらの目的を達成するための装置及び方法においては
、前記出願に開示される如き連続回転検光子を設けるの
ではなく、検光子を固定し、光ビームの通路に置かれた
4分の1波長遅延素子が連続的に回転される。
In the apparatus and method for achieving these objects, rather than providing a continuously rotating analyzer as disclosed in said application, the analyzer is fixed and a quarter-wavelength analyzer is placed in the path of the light beam. The delay element is rotated continuously.

前記出願における如く、検光子を通過する光の強度は光
検知器によつて測定され、この検知器はそこにあたる光
の強度に比例した信号を発生する。しかし、本発明では
回転する4分の1波長遅延素子を設けたために、光検知
器信号は、それが数値的にフーリエ解析された時に位相
角Δを明確且つ唯一に決定せしめる情報を含む。具体的
に云うと、Δを決定するためのフーリ工係数はSinΔ
及びCOsΔの項を含み、よつて位相角Δの符号(即ち
楕円偏光の方向)を唯一に決定せしめる。これに対して
、回転検光子型楕円計においては、COsΔの項しか利
用できず、しかもΔは0度から360度まで変化するの
で、位相角Δを第2の測定なしに独特に決定することが
できなかつた。更に本発明におけるSinΔの項の存在
は、Δの正確な測定を可能ならしめる。特にこの事は1
c0sΔlが1に近い場合にそうである。本発明の他の
目的は、回転する4分の1波長遅延素子における不完全
性を補償するため、楕円計を調整する方法を提供するこ
とである。第1図から第3図までは、前記出願から抜粋
されたもので、本発明によつて与えられる改善点を理解
するための背景を与えるものである。
As in that application, the intensity of the light passing through the analyzer is measured by a photodetector, which generates a signal proportional to the intensity of the light striking it. However, because of the provision of a rotating quarter-wavelength delay element in the present invention, the photodetector signal contains information that allows the phase angle Δ to be unambiguously and uniquely determined when it is numerically Fourier analyzed. Specifically, the Fourie coefficient for determining Δ is SinΔ
and COsΔ, thus uniquely determining the sign of the phase angle Δ (ie, the direction of the elliptical polarization). In contrast, in a rotating analyzer type ellipsemeter, only the COsΔ term is available, and since Δ varies from 0 degrees to 360 degrees, the phase angle Δ cannot be uniquely determined without a second measurement. I couldn't do it. Furthermore, the presence of the term Sin Δ in the present invention allows accurate measurement of Δ. Especially this thing is 1
This is the case when c0sΔl is close to 1. Another object of the invention is to provide a method for adjusting an ellipsemeter to compensate for imperfections in a rotating quarter-wave retardation element. Figures 1 through 3 are excerpted from said application and provide background for understanding the improvements provided by the present invention.

第1図において、例えば1mwHeNeレーザである単
色光源10は光ビームを発生し、この光ビームはサンプ
ル20の表面に衝突する光ビーム21の入射平面に対し
て既知の角度で(通常約451)固定さた偏光プリズム
12を通過する。
In FIG. 1, a monochromatic light source 10, for example a 1 mw HeNe laser, generates a light beam fixed at a known angle (typically about 451) to the plane of incidence of a light beam 21 impinging on the surface of a sample 20. The light then passes through a polarizing prism 12.

このビームは、更に既知の角度で固定された4分の1波
長板14(これは任意的なものでなくてもよい)及びス
ポット限定孔18を通過する。反射ビーム22は楕円偏
光され、ビーム限定孔24及び連続駆動の(例えば1秒
当り5回転)回転偏光プリズム(検光子)26を通過す
る。検光子26からの光は光電子増倍管の如きリニア型
光感知装置28によつて検知される。第2図は、第1図
の楕円計の電気的部分を詳細に示す。第1図に示された
素子の外に、第2図には回転検光子26に関連した角度
エンコーダ30とその2つの出力端子31及び33が示
される。実際の構成では、エンコーダ30は、検光子2
6を回転させる中空軸の上に置かれる。端子31からの
出力は検光子26の1回転につき1つのトリガ・パルス
を与え、端子33は検光子の1つの回転を等分した各点
につきパルスを与える。端子33に現われるパルスは、
トリガとしてアナログ・デジタル(AD)変換器32へ
印加される。光電子増倍管28の出力端子35は、AD
変換器32のアナログ入力として接続される。光電子増
倍管28の出力信号は、一般的には34の如き波形をと
る。変換器32は光電子増倍管からのアナログ入力を離
散的デジタル出力へ変換する。その出力は36の如き波
形をとる。変換器32のデジタル出力は、データ解析器
38へ印加される。データ解析器は、IBMll3Oの
如き小型コンピュータであつてよい。データ解析器38
において、データはフーリエ係数を決定するために数値
的にフーリエ解析される(反射光の楕円解析に必要なの
はこの係数であり、全体のフーリエ変換ではない)。フ
ーリエ変換の正規化された第2調波係数が確められると
、サンプルの光学特性を特徴づける計算可能パラメータ
を見出すため、標準楕円式が評価される。これらパラメ
ータ値は、タイプライタで打出されるか、貯蔵カソード
レイ管、数字表示管等で可視的に表示される。更に具体
的には、第3図のデータ解析器38はデジタル入力波形
36の数値的フーリエ解析を行なうように示される。
This beam further passes through a fixed quarter wave plate 14 at a known angle (this may not be optional) and a spot defining hole 18. The reflected beam 22 is elliptically polarized and passes through a beam-defining aperture 24 and a continuously driven (eg, 5 revolutions per second) rotating polarizing prism (analyzer) 26. Light from analyzer 26 is detected by a linear light sensing device 28, such as a photomultiplier tube. FIG. 2 shows the electrical parts of the ellipsemeter of FIG. 1 in detail. In addition to the elements shown in FIG. 1, FIG. 2 shows an angle encoder 30 associated with the rotary analyzer 26 and its two output terminals 31 and 33. In the actual configuration, the encoder 30 is connected to the analyzer 2
6 is placed on a hollow shaft that rotates. The output from terminal 31 provides one trigger pulse per revolution of analyzer 26, and terminal 33 provides a pulse for each equal division of one revolution of analyzer. The pulse appearing at terminal 33 is
It is applied to an analog-to-digital (AD) converter 32 as a trigger. The output terminal 35 of the photomultiplier tube 28 is
Connected as an analog input of converter 32. The output signal of the photomultiplier tube 28 generally takes a waveform such as 34. Converter 32 converts the analog input from the photomultiplier tube to a discrete digital output. Its output takes a waveform such as 36. The digital output of converter 32 is applied to data analyzer 38. The data analyzer may be a small computer such as an IBMll3O. Data analyzer 38
In , the data are numerically Fourier analyzed to determine the Fourier coefficients (it is these coefficients that are needed for the ellipsoidal analysis of the reflected light, not the total Fourier transform). Once the normalized second harmonic coefficients of the Fourier transform are ascertained, standard elliptic equations are evaluated to find the computable parameters characterizing the optical properties of the sample. These parameter values may be typewritten or visually displayed on a storage cathode tube, numeric display tube, or the like. More specifically, data analyzer 38 of FIG. 3 is shown performing numerical Fourier analysis of digital input waveform 36.

前記特許出願の回転検光子型楕円計の場合、フーリエ級
数の正規化係数A2,■が決定される。標準楕円式は、
フィルム厚および屈折率の如き所望のサンプル●パラメ
ータを得るために評価される。第3図には印刷機40及
び可視表示器42も示される。印刷乃至表示される情報
は、方位角α、楕円率X1楕円計パラメータψ及びΔ、
フィルム厚、屈折率等である。データ解析器38でフー
リエ解析を行うため、19n年6月2日にアイ●ビー●
エム社によつて出′版されたアイ●ビー●エム設置ニュ
ースレター(IBMINSTALLATIONNEWS
LETl′ER)に説明されるシステム/7高速フーリ
エ変換プログラムRPQP82OOOというプログラム
を使用できる。
In the case of the rotating analyzer type ellipse meter of the patent application, the normalization coefficient A2,■ of the Fourier series is determined. The standard elliptical type is
The sample is evaluated to obtain the desired sample parameters such as film thickness and refractive index. Also shown in FIG. 3 is a printing press 40 and a visual indicator 42. The information printed or displayed includes the azimuth angle α, ellipticity X1, elliptic meter parameters ψ and Δ,
These include film thickness and refractive index. In order to perform Fourier analysis using the data analyzer 38, I●B●
IBM INSTALLATION NEWS published by IBM
A program called System/7 Fast Fourier Transform Program RPQP82OOO, described in LETl'ER) can be used.

更に前記出願に示され本明細書でも説明された如く、偏
光素子12を載せる手段が使用され、入射表面に対する
偏光素子の角度が、0用,17,45面,900の如く
選択された角度に設定される。
Further, as shown in the said application and described herein, a means for mounting the polarizing element 12 is used such that the angle of the polarizing element relative to the incident surface is at a selected angle, such as 0, 17, 45, 900, etc. Set.

第4図は、本発明の改善された楕円計を示す略フ図であ
る。理解を容易ならしめるため、第4図の素子は、第1
図〜第3図に示された素子と同一の番号を有する。かく
て、単色光源10は、光ビームを固定偏光器12を介し
て送り、ビームはサンプル20の表面に入射角φで投射
される。勿論、前記出願の回転検光子型楕円計と同じよ
うに、偏光器12はその方位角が入射平面に対して異つ
た個別の所定角度で設定されるように調節可能に載置さ
れる。次いで反射ビームは、4分の1波長板の如き回転
する4分の1波長光学遅延器(又は補償器)50を介し
て通過される。補償器は、適当な駆動軸によつて一定の
角速度で回転される。補償器のその時の回転角度は0c
で示される。補償器を通る光は固定した検光子52へ導
かれ、検光子通つた光は光検知器28にあたり、検知器
28は検光子52を通つた光の強度の関数である電気ア
ナログ信号を端子35に発生する。本発明の理解を容易
ならしめるため、光学的素子方位角の次の如き組合せが
、得られた強度データの最も単純な形を生ずるようであ
る。
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the improved ellipsometer of the present invention. For ease of understanding, the elements in FIG.
They have the same numbers as the elements shown in FIGS. Thus, monochromatic light source 10 sends a light beam through fixed polarizer 12 and the beam is projected onto the surface of sample 20 at an angle of incidence φ. Of course, like the rotating analyzer ellipsemeter of the above-mentioned application, the polarizer 12 is adjustably mounted so that its azimuth angle is set at different discrete predetermined angles with respect to the plane of incidence. The reflected beam is then passed through a rotating quarter-wave optical retarder (or compensator) 50, such as a quarter-wave plate. The compensator is rotated at a constant angular velocity by a suitable drive shaft. The rotation angle of the compensator at that time is 0c
It is indicated by. The light passing through the compensator is directed to a fixed analyzer 52 and the light passing through the analyzer impinges on a photodetector 28 which sends an electrical analog signal to terminal 35 that is a function of the intensity of the light passing through the analyzer 52. occurs in To facilitate understanding of the present invention, the following combinations of optical element azimuth angles appear to yield the simplest form of intensity data obtained.

偏光器12は入射平面に対して45度の角度で設定され
、、固定検光子52は0度の角度で設定される。更に、
補償器50の高速軸(Fastaxis)は入射平面に
対して瞬時角度θcをとり、補償器が理想的なもの(即
ち、正確に4分の1波長の遅延を有する)と仮定すれは
、光検知器28にある光の強度1(θc)は次式で表わ
される。ここで(1)のフーリエ係数は次のようになる
The polarizer 12 is set at an angle of 45 degrees to the plane of incidence, and the fixed analyzer 52 is set at an angle of 0 degrees. Furthermore,
The fast axis of the compensator 50 assumes an instantaneous angle θc with respect to the plane of incidence, and assuming the compensator is ideal (i.e., has exactly a quarter wavelength delay), the photodetector The intensity 1 (θc) of the light in the vessel 28 is expressed by the following equation. Here, the Fourier coefficients in (1) are as follows.

サンプル・パラメータψ及びΔに関する所望の情報を含
むのは上記フーリエ係数の比だけである。従つて、平均
強度レベルA。で各々の係数を除するのが便宜的である
。従つて、式(4)及び(5)を解いてψ及びΔは次の
ようになる。
It is only the ratio of the Fourier coefficients that contains the desired information about the sample parameters ψ and Δ. Therefore, the average intensity level A. It is convenient to divide each coefficient by . Therefore, by solving equations (4) and (5), ψ and Δ are as follows.

上記の式から、回転補償器50及び固定検光子52の組
合せによつて伝達された光の強度を補償器方位角0cの
関数として測定することが、如何にして入射光の偏光状
態の完全に明確な決定、従つて楕円計のためにサンプル
●パラメータψ及びΔの明確な決定もたらすかを説明す
る。
From the above equations, it can be seen how measuring the intensity of light transmitted by the combination of rotating compensator 50 and fixed analyzer 52 as a function of compensator azimuth 0c completely determines the polarization state of the incident light. We explain what results in a clear determination and therefore a clear determination of the sample ● parameters ψ and Δ for the ellipse meter.

不明確性を除去するための追加情報は、(1)式の強度
1(0c)が定数値と、COS2Oc項と、Sin2θ
C項と、COS4Oc項と、Sin4θC項よりなると
いう事実か)ら生じる。これは第3図に示される如き回
転検光子型楕円計から得られる強度が定数と、COS2
O項と、Sin2θ項のみよりなるのと対照的である。
式(1)を参照すると、シヌソイダル成分の1つB4s
in4θcは補償器角周波数の4倍を含み、よつて回転
検光子型楕円計から得られるデータふ本質的に同じ情報
をもたらし、一方シヌソイダル項A2COS2θc及び
八Sin2Ocは角周波数の2倍を含む。後者の項は入
射光の偏光方向を変えることにより位相が180度変わ
ることに注意されたい。かくて、・回転補償器型楕円計
で採用された数値フーリエ解析手法は、第4図の回転補
償器型楕円計で得られる強度データI(θc)の解析に
適用できることが明らかである。本発明に従う楕円計の
利点は、式(2)乃至(7)からも明らかである。
Additional information to remove ambiguity is that the intensity 1 (0c) in equation (1) is a constant value, the COS2Oc term, and Sin2θ
It arises from the fact that it consists of the C term, the COS4Oc term, and the Sin4θC term). This means that the intensity obtained from a rotating analyzer type ellipse meter as shown in Figure 3 is a constant and COS2
This is in contrast to the case where it consists only of the O term and the Sin2θ term.
Referring to equation (1), one of the sinusoidal components, B4s
in4θc contains four times the compensator angular frequency and thus yields essentially the same information as data obtained from a rotating analyzer ellipsemeter, while the sinusoidal terms A2COS2θc and 8Sin2Oc contain twice the angular frequency. Note that the phase of the latter term changes by 180 degrees by changing the polarization direction of the incident light. Thus, it is clear that the numerical Fourier analysis method employed in the rotational compensator type ellipsemeter can be applied to the analysis of the intensity data I(θc) obtained with the rotational compensator type ellipsemeter in FIG. The advantages of the ellipse meter according to the invention are also clear from equations (2) to (7).

ψは常に0度と90度の間にあるから唯1つに決定され
るが、Δは0度と360度の間にあるから式(5)又は
式(7)に基づいてΔを求めても2つの値が得られその
いずれであるかを決定できない。しかし本発明の楕円計
においては、式(3)で示されるように■項に含まれる
追加情報を用いて、Δの正しい値が決定できる。即ち、
Δを決定するフーリエ係数としては式(5)のB4と式
(3)のB2があり、これらの式にはSinΔとCOs
Δが含まれているので、両式を解くことによりΔを一義
的に決めることができる。第4図の軸エンコーダ30は
、第2図に示される回転検光子型楕円計30におけるの
と同じ機能を与える。
Since ψ is always between 0 degrees and 90 degrees, it is uniquely determined, but Δ is between 0 degrees and 360 degrees, so Δ is determined based on equation (5) or equation (7). Also, two values are obtained and it is not possible to determine which of them it is. However, in the ellipsemeter of the present invention, the correct value of Δ can be determined by using the additional information contained in the term (■) as shown in equation (3). That is,
The Fourier coefficients that determine Δ are B4 in equation (5) and B2 in equation (3), and these equations include SinΔ and COs
Since Δ is included, Δ can be uniquely determined by solving both equations. The axial encoder 30 of FIG. 4 provides the same functionality as in the rotating analyzer ellipse meter 30 shown in FIG.

しかし第4図の軸エンコーダ30は、補償器50を回転
させるのと同じ軸によつて駆動され、端子31及び33
上に発生されるタイミング・パルスは、補償器50の回
転に対応する。この点は、第1図及び第2図の回転検光
子26の場合と異なる。光検知器28の出力からの強度
信号は、AD変換器32でデジタル化され、次いで前記
出願で説明される如くΔ及びΨの値を決定するためにデ
ータ解析器38で数値的にフーリエ解析される。第5図
の本発明の実施例は第4図の実施例と同様であるが、回
転補償器50が偏光器12とサンプル20との間で入射
ビーム21の通路に配置される点が異なる。
However, the axial encoder 30 of FIG. 4 is driven by the same axis that rotates the compensator 50, and the axial encoder 30 of FIG.
The timing pulses generated above correspond to the rotation of compensator 50. This point differs from the case of the rotating analyzer 26 shown in FIGS. 1 and 2. The intensity signal from the output of the photodetector 28 is digitized in an AD converter 32 and then numerically Fourier analyzed in a data analyzer 38 to determine the values of Δ and Ψ as described in the aforementioned application. Ru. The embodiment of the invention of FIG. 5 is similar to the embodiment of FIG. 4, except that a rotational compensator 50 is placed in the path of the incident beam 21 between the polarizer 12 and the sample 20.

同一の結果が第5図の構成から得られるが、数学的計算
において、偏光器12及び検光子52の方位角は、第4
図の構成の解析に対して逆になる。前述の計算について
は、理想的補償器を想定した。
The same result is obtained from the configuration of FIG. 5, but in the mathematical calculations the azimuthal angles of polarizer 12 and analyzer
The opposite is true for analysis of diagram composition. For the above calculations, an ideal compensator was assumed.

しカル実際には、補償器は問題とする全ての波長につい
て近似的に4分の1波長の遅延を与えるにすぎず且つそ
の2つの主軸に沿う伝搬において僅小の差を示す。古典
的楕円計では、これらの不完全性は非理想的補償器を補
うため2つの手動によるゼロ測定を必要とした。しカル
以下に説明する如く、本発明の回転補償器型楕円計は、
これらの不完全性を補償するよう較正される。補償器の
これらの不完全性は、次の如く測定データに影響を与え
る。
In practice, the compensator only provides approximately a quarter-wave delay for all wavelengths of interest and exhibits negligible differences in propagation along its two principal axes. In classical ellipsometers, these imperfections required two manual zero measurements to compensate for the non-ideal compensator. As explained below, the rotational compensator type ellipsemeter of the present invention has the following features:
It is calibrated to compensate for these imperfections. These imperfections in the compensator affect the measured data as follows.

補償器の遅速の方向における複素伝播比を2つの補償器
パラメータΨcびΔcによつて次の如く表わす(Ψ及び
Δは、サンプル・パラメータであることを想定されたい
)。ここで理想的には、Ψc=45度であり、Δc=9
0度である。式(1)の係数は次のようになる。補償器
の不完全性の影響は、Ψc及びΔcの対応する値を決定
するように先す補償器を特性化することによつて除去さ
れる。この事は、例えば第4図の偏光器12からの光が
、サンンプルから反射される事なく回転補償器50へ直
接に向けられるように測定を行うことによつてなされる
。そのような構成は、光学的には前記のにおいてΨ=4
5度、Δ=0度に設定することに等しい。従つて較正測
定のための結果の係数は次のような形になる。補償器パ
ラメータを解くと次のようになる。
Express the complex propagation ratio in the slow direction of the compensator in terms of two compensator parameters Ψc and Δc (assuming Ψ and Δ are sample parameters): Here, ideally Ψc=45 degrees and Δc=9
It is 0 degrees. The coefficients of equation (1) are as follows. The effects of compensator imperfections are removed by characterizing the compensator prior to determining corresponding values of Ψc and Δc. This is done, for example, by taking measurements such that the light from the polarizer 12 of FIG. 4 is directed directly to the rotation compensator 50 without being reflected from the sample. Such a configuration optically corresponds to Ψ=4 in the above
5 degrees, equivalent to setting Δ=0 degrees. The resulting coefficients for the calibration measurements are therefore of the form: Solving the compensator parameters gives the following:

更にこの測定には実験的検査がある。即ち、A。はhに
等しく、A。はゼロでなければならないことである。補
償器をこのように特性化する(即ち較正する)ことによ
つて、次式を解いて不完全補償器のためにサンプル・パ
ラメータを決定できる。ここで、従つて、式(16)に
よつて許される2つの値のΔについて正しく補償された
値は、前の如くB2の値から決定される。
Furthermore, there is an experimental test for this measurement. That is, A. is equal to h and A. must be zero. By characterizing (i.e., calibrating) the compensator in this manner, the sample parameters can be determined for the imperfect compensator by solving the equation: Here, therefore, the correctly compensated value for the two values of Δ allowed by equation (16) is determined from the value of B2 as before.

式(16)は式(7)に等しく、これは補償器の不完全
がサンプル・パラメータΨの値にのみ影響することを示
す。これらの説明から明らかな如く、強度対補償器方位
角データをフーリエ解析することは、サンプル・パラメ
ータΨ及びΔの高速にして唯一の決定を可能ならしめる
Equation (16) is equivalent to equation (7), indicating that compensator imperfections only affect the value of the sample parameter Ψ. As is clear from these descriptions, Fourier analysis of the intensity versus compensator azimuth data allows for a fast and unique determination of the sample parameters Ψ and Δ.

そしてこれは、速度を犠性とすることなしに、回転検光
子型楕円計によつて決定されるΔの値に伴う不明確性を
除去する。更に本発明の回転補償器型楕円計は、Sln
Δ項を発生するので、特にIcOsΔIの値が1に近づ
く時に、Δの値のより正確な決定をもたらす。更に、非
理想的な補償器の影響は、補償器が理想的であるという
大まかな仮定をすることなく、本発明の回転補償器型楕
円計によつて正確に補償される。前記の説明において、
記号Rp及びRsは、楕円偏光された反射光ビームの電
気ベクトルの平行成分及び垂直成分へそれぞれ適用され
た。更に、サンプルの楕円計パラメータ(Ψ及びΔ)は
、上記のRpRsについて定義された。このRp及びR
sの使用は、入射平面から45度の方向を有する平面偏
光された入射光を想定しているととれるかもしれないが
本願は、楕円偏光された入射及び反射光の一般的場合に
も関連する。この場合、次の如く定義する。ここ去壱′
Pi?ELは、それぞれ楕円偏光された入射光ビームの
平行成分及び垂直成分であり、E♂及び已はそれぞれ楕
円偏光された反射光ビームの平行成分及び垂直成分であ
る。
This, in turn, eliminates the ambiguity associated with the value of Δ determined by a rotating analyzer ellipse without sacrificing speed. Further, the rotational compensator type ellipsemeter of the present invention has Sln
Generating a Δ term results in a more accurate determination of the value of Δ, especially when the value of IcOsΔI approaches 1. Furthermore, the effects of non-ideal compensators are accurately compensated for by the rotating compensator ellipsemeter of the present invention without making any rough assumptions that the compensators are ideal. In the above description,
The symbols Rp and Rs were applied to the parallel and perpendicular components of the electric vector of the elliptically polarized reflected light beam, respectively. Additionally, sample ellipse parameters (Ψ and Δ) were defined for RpRs above. This Rp and R
Although the use of s may be taken to assume plane-polarized incident light with an orientation of 45 degrees from the plane of incidence, the present application is also relevant to the general case of elliptically polarized incident and reflected light. . In this case, it is defined as follows. Kokoreichi'
Pi? EL are the parallel and perpendicular components of the elliptically polarized incident light beam, respectively, and E♂ and E are the parallel and perpendicular components, respectively, of the elliptically polarized reflected light beam.

よつてRp及びRsは、それぞれ平行及び垂直偏光され
た光についてのサンプル反射係数である。楕円計サンプ
ル・パラメータψ及びΔは、次の関係式によつてRp及
びRsに関連づけられる。よつて一般的には、Δはサン
プルの平行反射係数Rp及び垂直反射係数Rs間の位相
差であり、ψは次の如く定義される。
Rp and Rs are thus the sample reflection coefficients for parallel and perpendicularly polarized light, respectively. Ellipsometer sample parameters ψ and Δ are related to Rp and Rs by the following relationships: Thus, in general, Δ is the phase difference between the parallel reflection coefficient Rp and the perpendicular reflection coefficient Rs of the sample, and ψ is defined as follows.

ここで垂直線は複素比Rp/Rsの絶対値を示す。Here, the vertical line indicates the absolute value of the complex ratio Rp/Rs.

本発明は、楕円偏光された入射光及び反射光の一般的な
場合について、ψ及びΔの完全かつ明確な決定を可能な
らしめるものである。
The invention allows a complete and unambiguous determination of ψ and Δ for the general case of elliptically polarized incident and reflected light.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は先行出願で開示された回転検光子型楕円計の機
構的部分の略図、第2図は第1図の楕円計の電気的部分
の略図、第3図は第1図及び第2図の楕円計のデータ解
析及び表示機能を示す略図、第4図は本発明に従う改善
された楕円計の1つの実施例における要部の略図、第5
図は改善された楕円計の他の実施例の部分的略図である
。 10・・・・・・光源、12・・・・・・偏光器、20
・・・・・・サンプル、22・・・・・反射ビーム、2
8・・・・・・光検知器、30・・・・・・軸エンコー
ダ、31,33・・・・・端子、32・・・・・・AD
変換器、38・・・・・・データ解析器、50・・・・
補償器、52・・・・・・検光子。
FIG. 1 is a schematic diagram of the mechanical part of the rotating analyzer type ellipse meter disclosed in the prior application, FIG. 2 is a schematic diagram of the electrical part of the ellipse meter of FIG. FIG. 4 is a schematic diagram showing the data analysis and display functions of the ellipse meter shown in FIG.
The figure is a partial schematic diagram of another embodiment of the improved ellipsemeter. 10... Light source, 12... Polarizer, 20
...Sample, 22 ...Reflected beam, 2
8...Photodetector, 30...Axis encoder, 31, 33...Terminal, 32...AD
Converter, 38... Data analyzer, 50...
Compensator, 52...analyzer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 既知の波長の光ビームを既知の入射角でサンプルに
あてるように配置された単色光源と、入射光ビームを面
偏光するため入射光ビームの通路におかれビームの入射
平面に対して所定の角度で固定された偏光素子と、上記
サンプルから反射される楕円偏光された光ビームの通路
におかれた検光子と、反射光ビームの強度の関数である
電気信号を発生するため、上記検光子を通過したビーム
に応答する光応答装置と、角度エンコーダと、アナログ
・デジタル変換器と、データ解析手段とを具備する自動
楕円形において、光ビームの偏光を周期的に変えるため
光ビームの通路に回転する光学補償器を設け、上記検光
子を上記入射平面に対して既知の角度で固定し、上記光
学補償器の1回転毎に第1のパルスを発生し1回転中の
選択された回転角毎に第2のパルスを発生するように上
記角度エンコーダを上記光学補償器と関連付け、上記ア
ナログ・デジタル変換器は角度エンコーダからのパルス
及び上記光応答装置からの電気信号に応答して該電気信
号を上記第2パルスに基づいてデジタル化し、上記電気
信号はフーリエ数値解析された時にsinΔ項とcos
Δ項を含むフーリエ係数を生じるような信号であり(但
しΔは上記サンプルから反射されたビームの電気ベクト
ルの平行成分Rpと垂直成分Rsの位相差)、上記デー
タ解析手段は上記位相差Δ及び角Ψ(但しtanΨ=R
p/Rs)を求めるため上記変換器らのデジタル信号及
び上記第1パルスに応答して該デジタル信号をフーリエ
解析することを特徴とする自動楕円計。
1 A monochromatic light source arranged to direct a light beam of a known wavelength onto the sample at a known angle of incidence, and a monochromatic light source placed in the path of the incident light beam to plane-polarize the incident light beam and at a given angle relative to the plane of incidence of the beam. a polarizing element fixed at an angle, an analyzer placed in the path of the elliptically polarized light beam reflected from said sample, and said analyzer for generating an electrical signal that is a function of the intensity of the reflected light beam. in the path of the light beam for periodically changing the polarization of the light beam in an automatic ellipse comprising a photoresponsive device responsive to the beam passing through the ellipsoid, an angular encoder, an analog-to-digital converter, and data analysis means. a rotating optical compensator is provided, the analyzer is fixed at a known angle with respect to the plane of incidence, and a first pulse is generated for each revolution of the optical compensator to determine the selected rotation angle during one revolution; the angular encoder is associated with the optical compensator to generate a second pulse every time, the analog-to-digital converter is responsive to the pulses from the angular encoder and an electrical signal from the optically responsive device to is digitized based on the second pulse, and when the electrical signal is subjected to Fourier numerical analysis, it has a sin Δ term and a cos
The signal is such as to produce a Fourier coefficient including a Δ term (where Δ is the phase difference between the parallel component Rp and the perpendicular component Rs of the electric vector of the beam reflected from the sample), and the data analysis means calculates the phase difference Δ and Angle Ψ (tanΨ=R
An automatic ellipsemeter, characterized in that, in response to the digital signals of the transducers and the first pulse, Fourier analysis is performed on the digital signals to determine p/Rs).
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US572476 2000-05-17

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BE839043A (en) 1976-06-16
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