JPS61259127A - 干渉式楕円偏光計 - 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】 分−！ 本発明は対象物の光学的性質（ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｒｏ
ｐｅｒｔｉｅｓ）暮測定するのに通した装置に言及する
ものであり、そしてより詳細には、干渉式楕円偏光計（
ｊｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ　ｅｌｌｉｐｓｏｍｅ
ｔｅｒ）に関する。

監−！ 楕円偏光法（ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ）は、光ビーム
の偏光（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）の状態における反
射の効果についての知識から、反射体（ｒｅｆｌｅｃｔ
ｉｎｇ　ｂｏｄｙ）の性質を検討する事を許容する測定
技術である。楕円偏光法は、偏光された光を（物体の）
表面に送ることにより、入射面（ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ　
ｐｌａｎｅ）における偏光した成分（ｃｏｍｐｏｎｅｎ
ｔ）と垂直な面における偏光した成分との間の相対位相
（ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｐｈａｓｅ）において変化が存在
し、且つ２つの成分の振幅間の比において変化が存在す
るという事実を利用している。入射面及び垂直な面にお
いてそれぞれ偏光された入射ビーム及び反射ビームの成
分の位相をβ。いβ１６、β１、β、７によって表示す
る事により、そして入射ビーム及び反射ビームの成分の
振幅をＥ、　、Ｅ、　、Ｒ，、Ｒ，によって表示する事
により、楕円偏光計は（次の）角度を測定する事を許容
する： 八＝（β２、−β、）−（β、１−βｓ＋）Δ、甲の値
は、既に知られている関係に従って、被験下の対象物の
性質に依存し、より詳細には、厚さ及び屈折率（ｒｅｆ
ｒａｃｔｉｖｅ　１ｎｄｅｘ）に依存している。基板（
ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）上に取り付けられた物体を考慮し
、そしてＥ、Ｊ！、であると仮定すると、以下の公式が
通用される： Ｒ。

ｔａｎＹｅｉ　＆　諺、　ｅｌ　＆　　　　　　　、−
、、（１）Ｉ？ｌ１ （ｒｏｌ）ｐ＋（β１２）ｐ　ｅ−””　　　（ｒｏｌ
）ｓ＋（β１２）ｓｅ−””ここでｒｏｌはテストサン
プル（ｔｅｓｔ　ｓａｓ＋ｐｌｅ）が置かれている（環
境における）媒体（例えば空電）とサンプルそれ自体と
の間の分離表面における反射係数（ｒｅｆｌｅｃｔｉｏ
ｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）であり：β１２は層１と
基板２との間の分離表面における反射係数であり；添字
ｐ、ｓは、反射係数が入射面において偏光された波（ｗ
ａｖｅ）と関連するか、或いは垂直な面における偏光に
関連するかを表示し；δ−（３６０／λ）　　−ｄ　（
ｎ、”−ｓ＠ｎ”φ）１″は、層２の各横断点において
基板２により反射した光線によって生ずる位相のずれ（
ｐｈａｓｅ　５ｈａｆｔ）であり、該層は厚さｄと屈折
率ｎ、を有しており、該屈折率は基板１の表面により反
射された光線に関連しており、φは基板１上の入射角（
ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ　ａｎｇｌｅ）である。

関係式（１）は、基板１と空気との間の分離表面及び基
板１と層２との間の分離表面における多重反射（ｍｕｌ
ｔｉｐｌｊ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ＞を考慮している。

反射係数ｒ　０１．　　ｒ　１２は、公知のフレネルの
式（Ｆｒｅｓｎｅｌ　ｆｏｒｍｕｌａｅ）により、異な
る媒体の屈折率に結合され、該フレネルの式はｒｏｌに
ついてここで与えられる： ここでφ１は入射角φを伴った光線の反射角（ｒｅｆｒ
ａｃｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ）である拳商業的に利用出来
る多くの楕円偏光計は、吸光の原理（ｅｘｔｉｎｃｔｉ
ｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）に基づいている：光源より
放出され且つ偏光子（ｐｏｌａｒｉｚｓｒ）において偏
光された光は補償器（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）を横切
り、該補償器は反射によって生ずる位相のずれと（大き
さが）等しく且つ（方向が）反対の位相のずれを生ずる
様に調節され、それにより直線偏光された放射（１ｉｎ
ｅａｒｌＶ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ
）を生じ：該直線偏光された放射は、反射した後に、検
光子（アナライザー：　ａｎａｌｙｓｅｒ）によって収
束され、該検光子は、今度は、吸光（ｅｘｔｉｎｃｔｉ
ｏｎ）を生ずる様に調節される。

補償器の調節の大きさはΔを与え、そして検光子の調節
の大きさはφを与える。補償器と検光子の調節は相互に
作用し合うので、これ等の装置による測定は非常に遅い
ことが明らかである。

これ等の不利益は、干渉技術（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅ
ｔｒｔｃｔｅｃｈｎｌｑｕｅ）に基づいた楕円偏光計に
より克服される。この種の楕円偏光計は、１９７７年（
刊行）のノースホーランドパブリッシング社（Ｎｏｒｔ
ｂ−Ｈｏｌｌａｎｄ　ＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏｍｐａ
ｎｙ）の、アール・エム・アラｆ　ム（Ｒ，Ｍ、Ａｚｚ
ａｍ）及びエヌ・エム・バシャラ（Ｎ、Ｍ、Ｂａ５ｈａ
ｒａ）による「楕円偏光計及び偏光された光」じＥ１１
ｉｐｓｏｓ＋ｅｔｒｙ　ａｎｄ　ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　
ｌｉｇｈｔ”）の第２６２頁から第２６５頁において記
載されており、且つ、１９８３年の物理ジャーナル（Ｊ
ｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）、セクションＥ
、第１６刊のエイチ・エフ・バズブローク（Ｈ，Ｆ、Ｈ
ａｚｓｂｒｏｅｋ）及びダブりニー・エム・ライラシャ
−（Ｗ、Ｍ、Ｗｉｓｓｅｒ）による論説「自動化された
レーザー干渉式楕円偏光計及び正確な反射率計Ｊ　（Ａ
ｕｔｏ＋ｇａｔｅｄ　１ａｓｅｒｉｎｔｅｆｅｒｏｓｅ
ｔｒｉｃ　ｅｌｌｉｐａｏｍｅｔｒｙ　ａｎｄ　ｐｒｅ
ｃｉｓｉｏｎｒｅｆｌｅｃｔｏｓｅｔｒｙ）において記
載されている。

その様な楕円偏光計においては、偏光された放射（ｐｏ
ｌａｒｉｚｅｄ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ）はビームスプリ
ッタ−（ｂｅａｍ　５ｐｌｉｔｔｅｒ）により２つのビ
ームに分けられる。一方のビームは被験下のサンプルに
向かって送られ、そしてミラーにおいて反射され、該ミ
ラーによって該一方のビームはサンプル及びスプリッタ
ーに向けて再び反射される：基準ビームとして作動する
他方のビームはコーナーレフレクタ−（ｃｏｒｎｅｒ　
ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）へ送られ、ミラー上に反射され且
つそこから該レフレクタ−及びスプリッターまで送り返
される。２つのビームはスプリッターによって単一のビ
ームに再結合され、該単−のビームの成分であってサン
プル上の入射面に対して平行な成分と垂直な成分とは分
離されて且つ別々の検出器に送られる。ドツプラー効果
（Ｄｏｐｐｌｅｒｅｆｆｅｃｔ）によって基準ビームに
おける周波数変動を生ずる様に、コーナーレフレクタ−
は一定のスピードで並進される。

この干渉式楕円偏光計は多数の欠点を有しているφより
詳細には、基準放射（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｒａｄｉａ
ｔｉｏｎ）の偏光を維持するため、コーナーレフレクタ
ーの位置は入射基準放射（ｉｎｃｉｄｅｎｔ　ｒｅｆｅ
ｒｅｎｃｅ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ）が２つのレフレクタ
−の自己偏光（ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓｅｌｆ−ｐｏｌａ
ｒｉｚａｔｉｏｎ）の一方と一致する様に選択されなけ
ればならないので、該コーナーレフレクタ−の位置は厳
密なものとなる。測定部分（ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　
ｂｒａｎｃｈ）におけるミラーの位置も厳密なものであ
る。ミラーはサンプルによって反射された光に対して正
確に垂直となっており、偏光の変動を防止し且つ同一ポ
イントにおいてサンプル上に２つの反射を生じさせるか
らである。その上、楕円偏光計は移動部を備えており、
該移動部は信頼性の問題を常に生ずる。

本発明は、厳密な位置（の調整）を必要とする構成部品
または移動部の何れをも設けていない楕円偏光計を提供
する。

その様な楕円偏光計の特徴は、特許請求の範囲第１項に
おいて記載されている。

爽隻班 図面は、基板２によって担持された薄い不透明層１の屈
折率と厚さとを測定する楕円偏光計（ａｌｌｉｐｓｏ＋
５ｅｔｏｒ）の使用を示している。楕円偏光計の種々の
構成部品とテストサンプルとを支持する手段は図示され
ていない、該手段は通常の楕円偏光計の支持手段に類似
しているからである。（図中の）太い線は電気的な接続
を示し、そして細い線は光路を表示する。

楕円偏光計は（ビーム）源３を含み、該（ビーム）源３
はビーム４を発生し、該ビーム４は２つの周波数ｆ＋、
ｂの放射（ｒａｄｉａｔｉｏｎ）を含み、該２つの周波
数ｆ１、ｆ、は（同じＭＨ２のオーダーにある差異を伴
って）相互に僅かに異なっている。ビーム源はゼーマン
効果レーザー（Ｚｅｅｍａｎ−ｅｆ　ｆｓｃｔｌａｓｅ
ｒ）であり得て、該レーザーは、レーザー発生周波数　
（ｌａｓｅｒ−ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃ
ｙ）及び第２の周波数（ｓｓｃｏｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｒ
Ｌｃｙ）を放出する音響光学セル（ａｃｏｕｓｔｏ−ｏ
ｐｔｉｃａｌ　ｃｅｌｌ）に関連してＳ２つの周波数の
レーザー或いは単一モードのレーザーを発生し、前記第
２の周波数はレーザー発生周波数とセル作動周波数（ｃ
ｅｌｌ−ｄｒｉｖｉｎｇ　ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃ
ｙ）との和或いは画周波数間の差の何れかに等しい。

図は、向かい合った方向へ円偏光されている（ｃｉｒｃ
ｕｌａｒｌｙ　ｐｏｌａｒｉｚｅｄ）　２つの放射（あ
るいはビーム）を発生するゼーマン効果レーザーを示し
ている。ビーム源から放出されたビーム４はλ／４板（
λ／　４　ｐｌａｔｅ）　７に送られ、該λ／４板７は
２つの円偏光された放射を直交平面における２つの直線
偏光された放射に交換し、該直交平面は単純化のために
、サンプルにおける入射面と一致し且つ垂直な面と一致
するものと仮定される。この仮定は一般性を損なわしめ
るものではない、上記の具体的な構成は楕円偏光計の構
成部品及び／またはサンプルを好適に取り付ける事によ
って得られるからである。板７に続いて、ビームを２つ
の分割されたビームに分けるビームスプリッタ−５が設
けられている０分けられたビームの一つ４ａは、ビーム
４の２つの成分（（ｏｍｐｏｎｅｎ　ｔ）に対して４５
°傾斜している軸線を伴った偏光板１３を介して第１の
検出器６に送られ、該検出器６は２つの周波数間のうな
り（ｂｅａｔ）を表現する電気信号を発生する。分けら
れたビームの第２のビーム４ｂは偏光（ｐｏｌａｒｉｚ
ａｔｉｏｎ）を分離するための装置８（例えば、ニコル
プリズム：　Ｎ１ｃｈｏｌ　ｐｒｉｓｍ、或いはウォラ
ストンプリズム：讐ｏ１１ａｓｔｏｎ　ｐｒｉｓｍ、或
いはグラン−ティラープリズム：　（Ｇｌａｎ−Ｔａｙ
ｌｏｒｐｒｉｓｍ）に送られ、該装置８は、入射面に垂
直な平面中に偏光された放射４Ｓを他のλ／４板１板金
２して第２のフォトダイオード９に送る。他の放射４ｐ
は、層１に向かって送られ、そして層１及び基板２によ
って反射される。必要であるならば、光学的システム１
０が反射されたビーム４ｒをフォトダイオード９上に収
束する。

空気と層１との界面及び層１と基板２との界面における
多重反射に基づき、放射４ｐの振幅及び時間位相（ｔｉ
ｍｅ　ｐｈａｓｅ）は変化し、一方、偏光平面は同一の
ままである。それ故に検出器９は、反射されたビーム４
ｒとλ／４板１板金２って９０゜回転されたビーム４Ｓ
との間で第２の低い周波数のうなりを生ずる。

放射４ｓは交番（ａｌｔｅｒａｔｉｏｎ）を受けないこ
とを考慮すると、この第２のうなりの振幅はビーム４ｒ
の振幅に依存し、且つ＾、譚に・Ｒ１によって与えられ
、ここでＫは電子回路の利得に依存する定数である。放
射４Ｓと４ｐとはビーム４ａと同一の開始点位相（ｓｔ
ａｒｔｉｎｇ　ｐｈａｓｅ）ををしているので、光検出
器９によって発生するうなりと光検出器６によって発生
するうなりとの間の相対位相は、反射によって生ずる位
相のずれΔを表示する。

２つの光検出器６．９に接続された測定及び計算システ
ム１１は、この様にして発生したうねりの位相及び振幅
の値を測定し、且つ関係式（１）及び（２）を適用する
ことによって屈折率ｎ１及び厚さｄの値を得る。

角φのみを有する様にスネルの法則を適用し、且つ関係
式（１）の実数部（ｒｅａｌ　ｐａｒｔ）を虚数部から
分離する事により、δの表現と、関係式（２）と、（ｎ
Ｑが既に知られている場合における）ｒ１２についての
対応する部分とを関係式（１）中に代入することによっ
て、２つの等式が得られ、該等式はΔと！をｎｌとｄに
それぞれ結びつけており、そして該等式は計算システム
１１で解くことができる。

成分４ｐだけがサンプルによって反射される旨が評価さ
れるべきであり、その結果、関係式（１）における第３
項が、Ｒｙｅ’　δ、に対応する第１のファクターから
減じられる。

ビーム４の１つの成分のみを用いる事によって実行され
る測定は、要求された値を既に供給したであろう、しか
しながら、ビーム４の２つの成分について異なっている
光路がサンプルの外部にある事に基づいて生じ得る影響
を除去するために、測定及び計算システム１１はＡ、及
びδ、の値を記憶する事ができ、そして成分４Ｓを層１
に送る事によって測定を繰り返す事ができ、それにより
Ａ。

及びδ、を得ることができる。

Ａ、、Ａ＠、δ２、δ、の知識から、 Ａ。

ｊａｎ甲−４−−ｅＩＴ４−ｔ、） Ａ。

を考慮すると、関係数（１）はその完全な形において適
用することができ、そしてサンプル外側の光路の差によ
っては影響を受けない測定が達成される。

成分４ｐとは異なり、成分４Ｓは反射に基づいてその偏
光面の回転を受け、その結果、反射されたビームの１つ
の成分のみが成分４ｐと干渉することに注目すべきであ
る。これと同一の事が、もしもビーム４の２つの放射の
偏光面がサンプルにおける入射面及び垂直な面と一致し
ないのならば、維持される。

明らかに、この様にして行なわれた測定は層１の表面の
限定された区域に関するものである。完全な情報を得る
ためには、支持部上のサンプルを並進し或いはビーム源
の配置方向を変化させ、そして測定を繰り返せば十分で
ある０選択的なものとして、その様な変位の必要性を減
少し或いは除去するために、放散する様に放出されるビ
ーム（ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ　ｂｅａｓ＋）をサンプルに
向かって送ることができ；そして、更に、発射角（ｌａ
ｕｎｃｈｉｎｇ　ａｎｇｌｅ）について生じ得る依存関
係が補償される。

記載された事項は限定的なものではない例のみを与える
ものであり、そして変更及び変形が本発明の範囲から外
れることなく行なわれ得る旨が明らかである。

より詳細には、２つの周波数が単一モードレーザー及び
音響光学セルにより発生した場合において、２つの周波
数は異なった光路に従って放出され、そして好適な光学
的システムが該２つの周波数（のビーム）をフォトダイ
オード６において結合するのに必要となり；これに加え
て別々の偏光子（ｐｏｌａｒｉｚｅｒ＞が単一のλ／４
板７の代わりに必要とされるであろう。

その上、単一ビーム成分を伴った測定の場合は、サンプ
ル上に送られる放射とフォトダイオード９上に送られる
放射は相互に交換することが出来る：しかしながら（本
明細書に）記載された解決手段は、ブルースター角（Ｂ
ｒｅｗａｔｅｒ　ａｎｇｌｅ）が決定される事を許容す
るので、サンプルの光学的性質におけるより多くの情報
を提供する。実際、該ブルースター角に関連して、ビー
ム４ｄは層１の外表面により完全に反射され、そしてビ
ーム４ｅは層１と支持基板２とを分離する表面によって
反射されたビームのみによって構成されニブル−スター
角に関連して入射角を変化する事により、不連続箇所（
ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ）がうなりの振幅中に表わ
れるであろう。

【図面の簡単な説明】

本発明を明瞭にするために添付図面が参照され、該図面
においては、本発明に従った楕円偏光計が図式的に表示
されている。 １−・不透明層、２・・一基板、３・−・ビーム源、４
゜４ａ、４ｂ、４ｓ、４ｐ、４ｒ−ビーム源、５−・−
ビームスプリッタ−１６，９−検出器、７．１２−　λ
／４板、８・−偏光分離装置、１ｏ・−・光学システム
、１１−測定及び計算システム。 代理人の氏名　　　川原１）−穂 手続補正書（自鋤 昭和６１年　６月　６日 特許庁長官　　宇　賀　道　部　殿 ■、事件の表示　　特　願　昭６１−８５１９５号２、
発明の名称　　静止干渉式楕円偏光計３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 ４、代理人 郵便番号　　１０５ ５、補正命令の日付　　　　自　　発 ６、補正により増加する発明の数 ７、補正の対象　　　　　　明細書の「発明の詳細な説
明」の欄８、補正の内容　　　　　　別紙の通り　　　
　　　　　−−−補正の内容 先に提出した明細書を下記の通り訂正する。 （１）　　第５真下から４行目の「対象物」を「物体」
に訂正する。 （２）　　第６頁下から１３３行目「テストサンプル（
ｔｅｓｔ　ｓａｍｐｌｅ）Ｊを「試験物体（ｔｅｓｔ　
ｂｏｄｙ）Ｊに訂正する。 （３）　　同真下から１１１行目「サンプル」を「物ル
」に訂正する。 （４）同真下から９行目の「層１と基板２」を物体と基
板」に訂正する。 （５）　　同頁下から４〜５行目の「層２」を「物体」
に訂正する。 （６）同真下から４行目の「基板２」を「基板」訂正す
る。 （力　同頁下から２行目の「該層」を「該物体」、−訂
正する。 （８）　　同頁末行、第７頁１行目及び３行目の「基板
ｌ」を「物体」に訂正する。 （９）　　第７頁４行目の「基板１と層２」を［基板と
物体ｊに訂正する。 以　　　上

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）サンプル（１、２）に送られるべき偏光した光ビ
   ームを発生する手段（３）と、該サンプルによつて反射
   されたビームを収束する手段（１０、９）とを含んでい
   る、反射材料のサンプル（１、２）の光学的性質を測定
   するための干渉式楕円偏光計において、 サンプルに送られるべきビームを発生する手段は、僅か
   に異なる周波数を伴つた２つの単色光放射を含むビーム
   （４）を発生し、 そして該ビームを発生する手段は、２つの放射を含むビ
   ームの１部（４ｂ）を抽出する手段（５）と関連してお
   り、而して前記ビームの１部を第１の光検出器（６）に
   送り、該光検出器は２つの放射間の第１のうなりを発生
   し、 ２つの放射を２つの直交平面中に直線偏光する手段（７
   ）を伴つており、 ２つの周波数における放射を分離し、そして２つの放射
   の一方（４ｓ）を第２の検出器（９）へ送り、且つ他方
   （４ｐ）をサンプル（１、２）に向けて送るための手段
   （８）を伴つており、第２の光検出器（９）は、サンプ
   ル（１、２）の表面から反射されたビーム（４ｒ）を形
   成する放射を更に受け入れる様に配置されており、該反
   射されたビームは、前記一方の放射（４ｓ）と同一平面
   に偏光された成分を含む様にせしめる偏光面を提供し、 そして第２の光検出器は２つの周波数における放射間の
   第２のうなりを発生し、 該第２のうなりは、反射されたビームの前記成分の振幅
   に比例した振幅と、そして第１のうなりに関する位相を
   有しており、該位相は、反射されたビーム（４ｒ）の前
   記成分と第２の検出器（９）に直接送られた放射（４ｓ
   ）との間の位相のずれに依存している ことを特徴とし；更に 測定及び計算システム（１１）が設けられており、該シ
   ステムは、第２のうなりの振幅の値及び位相の値からテ
   ストサンプルの光学的性質の値を誘導する ことを特徴とする干渉式楕円偏光計。
2. （２）ビームの発生手段はゼーマン効果レーザー（３）
   を備え、該レーザはλ／４板（７）と関連しており、該
   λ／４板はビームスプリッター（５）の上流に配置され
   、該ビームスプリッター（５）は偏光分離装置（８）に
   連続しており、該偏光分離装置は２つの放射を分離する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の楕円偏光
   計。
3. （３）ビーム発生手段は単一モードレーザーを含み、該
   レーザーに続いて音響光学装置が含まれており、該音響
   光学装置は２つの異なつた光路に従つて２つの放射を放
   出し、該光路に沿つて、直交平面中に２つの放射を直線
   偏光する手段が配置されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の偏光計。
4. （４）前記直交平面の一方はサンプル上の入射面と一致
   し、そして偏光分離手段（８）は、入射面中に偏光した
   放射をサンプル（１、２）に送ることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の楕円偏光計。
5. （５）サンプル（１、２）に向けて送られる放射（４ｐ
   ）は放散する様に放出されるビームとして送られること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項のいず
   れか１項に記載の楕円偏光計。