JPS63127133A - 分光楕円偏光計用の試料照明装置 - 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】 本発明は出射スリットを有しこの出射スリットの像が少
なくとも１個の（第１）球面ミラーにより試料の表面と
共役の関係にあるモノクロメータと、前記球面ミラーと
試料との間に配置された偏光子とを具えた検光子回転型
の分光楕円偏光計用の試料照明装置に関するものである
。

ｒＡｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ」１９７５年１月に発
表されている０、　Ｅ、　Ａｓｐｅｎｓの論文ｒＨｉｇ
ｈ　Ｐｒｅｃｅｉｓｉｏｎ　ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｌｉ
ｐｓｏｍｅｔｅｒ　Ｊから既知の斯かる装置は平面波で
動作する慣例の楕円偏光法を表面状態に対する高い感度
及び低い横方向解像度で実施するのに好適である。

上記の論文では試料を照明するビーム開口角を１°以下
にする。この低い値では測定が平面波により行われるも
のとみなせない。

ｒＪｏｕｒｎａｌ　ｄｅ　Ｐｈｙｓｉｑｕｅ　」（Ｓｙ
＋ｎｐｏｓｉｕ＋ｙ＋　ＣＩＯ。

１９８３年１２月、Ｖｏｌ、’４４．　Ｎｏ、１２（７
）付録）に発表サレテいる５ｔｉｂｌｅｒｔ等の論文ｒ
Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ　Ｒｅ５ｏｌｎｔｉｏｎｉｎ　
ｔｈｅ　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　８１１ｉｐｓｏｍｅｔ
ｅｒに、試料の表面状態に対し良好な感度を有すると共
に試料を照明する集束光のスポットの大きさに対応する
２ミクロン程度の高い横方向解像度を有する比較形楕円
計が開示されている。表面状態に対する感度が規定の偏
光状態を有する平面波の存在により与えられる場合、横
方向解像度自体は集束光学系により得ることができるの
みであり、このことは平面波と単一の入射角の双方の概
念に矛盾する。上述の論文では２ミクロン程度の横方向
解像度を深さ方向の解像度を犠牲にして得ている。

本願人は集束光の使用による測定の摂動を分析して上述
の２つのパラメータに対し満足な精度を有する検光子回
転型の楕円計の概念において生ずる妥協点を計算した。

この妥協点は４〜５°程度の入射ビームの開口角を用い
て１オングストロームより良い表面状態に対する感度を
維持すると共に１０×１０ミクロン程度の横方向解像度
を得る点である。

斯かる値の開口角の場合、波は最早平面波とみなせず、
結果の解明には新しい形の計算が必要である。

慣例の楕円計においては複素反射率ρは次のように測定
される。

ｐ　＝ＲｐＲｉ−’　＝ｔａｎ　ψｅｘｐ　（ｉ　Ａ）
　　　　（１）ここで、Ｒｐ及びＲ，は入射面にそれぞ
れ垂直及び平行の偏光方向の直線偏波の反射計数を示す
。

検光子回転型の楕円偏光計はｔａｎψ及びｃｏｓ　ｌを
直接測定し得る。

ここで、Ｒｏは複素数の実数部を表す。

非平面波の場合には係数Ｒｐ及びＲ，が入射角θに依存
する点を考慮する必要がある。入射光束は平面波の和に
分解され、その分布のフーリエ変換はｇで表され、反射
され集光された光束はｇ′で表される。

これがため、次の式がコヒーレント光及び均質試料に対
し得られ（この式において記号＊は畳込み積を表す）　
： ここで、θ０＝平均入射角 及び 上式は全ての反射係数を関数ｇ’ｇ’　　（θ）を有す
るそれらの畳込み積と置き換えることにより前式から得
られる。

非コヒーレント光および均質試料に対しては上式は ここで　Ａ＝ＩＲＰ（θ）１２本１ｇ−ｇ’　（θ）１
２（θ０）Ｂ＝ｌＲ，（θ）　１２本　１ｇ−ｇ’（θ
）　１２（θ。）平面波の場合にはθ＝θ。に対してｇ
＝ｇ’　＝１及びθ＃θ。に対してｇ＝ｇ’　＝Ｏであ
り、式（４）及び（６）と式（５）及び（７）は式（２
）及び（３）に約分し得る。

分光楕円偏光計は広いスペクトル範囲をカバーするため
にカタディオプトリック形の集束を用いる。実際には斜
め入射で照明しかなりの非点収差を生ずる球面ミラーの
光学系を用いる。この非点収差のために、モノクスメー
タスリットと試料の表面上の１点とを光学系を介して共
役関係にするだけである従来の解決方法は集束像を試料
上に形成するのに好適でない。

以下図面に基き本発明の詳細な説明する。

楕円偏光法は、通常反射モードで且つ斜め入射で用いら
れる光学的に特有な方法である。反射強度測定とは対照
的に、楕円偏光法は強度の絶対値を測定せず光の偏光状
態を決定する。選択されたガスの応答は、入射波の電界
ベクトルが入射面に平行か直交するかにそれぞれ依存す
る。

入射面に平行で試料表面の法線に対して角度θ。

をなす偏光成分Ｅ　、　／を有する平面波（第１図）は
、入射波に対してσ、の回転を呈する偏光成分Ｅｐ″を
有する電磁波の形態で反射する。同様に、入射面に直交
する偏光成分Ｅ　ｓ　’を有する平面波は、入射波に対
してσ５だけ回転した偏光成分Ｅ５″を有する電磁波の
形態で反射する。

（１）式に表わされている係数Ｒ１及びＲ３は次の有理
式で規定される。

均質な試料に対する係数はフレネル係数となるから、ρ
は入射角の関数並びに試料の光学特性及び波長の関数と
なる。層構造を有するような不均質な試料の場合、ρは
各層の光学特性及びその厚さの関数となる。空間的に不
均質な試料の場合、ρは同様に試料の厚さ方向の座標の
関数となる。

これらの想定は、多数の未知のパラメータが考慮される
べきことを示している。

一般的に、波長が固定されている楕円偏光測定では、充
分な精度で試料解析を行なうことができない。従って、
別のパラメータを用いることが重要であり、空間的な場
合にはパラメータとして波長を用いることが重要である
。従って、分光楕円偏光が重要になる。

第２図は高スペクトル分解能を有するプリズムを具える
モノクロメータを示し、このプリズムは測定に特に適し
ている。モノクロメータは輝度光源Ｓとして９００Ｗの
キセノンランプを含んでいる。

このランプは良好な安定性を有するだけでなく、遠赤外
波長域（波長が数μｍ）から紫外波長域（約０．２２μ
ｍ）に亘る広いスペクトル域で連続的な強度を有してい
る。

モノクロメータの入射スリットＦをコーラ型（ＫＯ）Ｉ
ＬＡＥＲｔｙｐｅ）の光学系で照射する。この光学系に
よって均一な照射を行なうことができる。この光学系は
２個の球面ミラーＭ１及びＭ２を有している。第１のミ
ラーＭ１によって光源Ｓのアークの像を第２のミラーＭ
２上に投影する。第２のミラーＭ２によって第１のミラ
ーＭ１からの光をモノクロメータの入射スリットＦに入
射させる。

２個の平面ミラーＲ１及びＲ２によって球面ミラーＭ、
及びＭ２に対する入射角を微小なものとする（約５°）
。入射スリットＦと対面するレンズＬを用いてミラーＭ
２上に形成したアークの像をモノクロメータのほぼ無限
遠に投影する。

天然水晶から成る４個のダブルプリズムＰＲ，。

ＰＲ，、ＰＲ２’　、ＰＲ，’　を分散配置して光学系
を構成する。この光学系は、中央スリ７）Ａに関して対
称に配置した２個の単一のモノクロメータ（Ｐ　Ｒｒ　
、　Ｐ　Ｒ２）及び（ＰＲ，’　、　ＰＲ２’　）と等
価である。第１の単一モノクロメータを構成するプリズ
ムＰＲ，の入射側の凹面ミラーＭ３及びプリズムＰＲ２
の出射側の凹面ミラーＭ、並びに第２の単一のモノクロ
メータを構成するプリズムＰ　Ｒ２’　の入射側の凹面
ミラーＭ　ｓ　’及びプリズムＰＲＹ’　の出射側のミ
ラーＭ　ｓ　’　はＺにおいて等しい入射角を有する２
個の光学系を構成する。この光学系によって入射スリッ
トＦ、中央スリットＡ及び出射スリットＦ′を共役なも
のとする。プリズムＰＲ，の出射側であってプリズムＰ
Ｒ２の入射側に配置した平面ミラーＭ４とプリズムＰＲ
２’の出射側であってプリズムＰＲ，’　の入射側に配
置した平面ミラーＭ４との２個の平面ミラーによって波
長選択を行なう。ステップモータＩによりミラーＭ、及
びＭ、′を減速ギイヤ系を介して同時に回転させる。こ
のステップモータは、波長を線形に制御し得る精密更生
法に従ってコンピュータにより制御される。

第３図は、試料の表面上に例えば１０μｍ程度の微小寸
法のスポットを形成する照明アームの構成を示す。この
楕円偏光計は分光型であるから、球面ミラーを具える装
置を用いる。これら球面ミラーは斜め入射で用いられる
ので、これらミラーはある程度の非点収差を有している
。従って、サジッタルの焦点距離とタンゲンシャルの焦
点距離とが互いに相異してしまう。モノクロメータの出
射スリットＦ′　と試料表面の点Ｆ２’　とを単に共役
にする光学系を用いる場合、球面ミラーの非点収差に起
因して合焦しない像が形成されてしまう。

非点収差の効果を第３図に示す装置によって補正する。

この第３図の装置では２個の球面ミラーＭ７及びＭ８が
用いられており、ミラーＭ７はモノクロメータの出射ス
リットＦ′の２個の像Ｆ＋ｙ’及びＦｌ、′　を形成す
る。像Ｆ２．′は第２の調整可能なミラーＭ８によって
再結像され、このミラーＭ８により像Ｆ　Ｉｓ’　、か
ら試料Ｅの表面上の点Ｆ２′　に近接した入射側及び出
射側に２個の像Ｆ２Ｓ’及びＦ　２Ｔ’が形成される。

第２のスリットをＦＩＳ’　の面内に位置させると共に
直交するように配置する。

非点収差は、上述した２個のスリット間の距離を制御す
ることによって補正されることができる。

反射性平面ミラーＲ３及びＲ４によってビームを偏向す
る。この光学系本体は、光学系が２倍の倍率で作動する
ように球面ミラーＭ７及びＭ８の焦点距離を適切に選択
することにより一層小型にすることができ、このように
構成することによって固定偏光子Ｐを試料から適切な距
離だけ離れた位置に配置することができ、このために試
料を照明するため照明ビームの一部分を偏光子Ｐの一部
分に対応させる。

固定偏光子Ｐは方解石で出来ており、ステップモータで
構成される更生制御ユニットと一体化される。このステ
ップモータによって偏光子Ｐの向きを進めながら反射ミ
ラーＲ４と偏光子Ｐとの間に配置した電子シャッタＣの
精度で測定を行なうことができる。シャッタＣが閉じて
いる位置における連続する成分、例えば検出器の暗電流
によって生ずる成分を楕円偏光信号から減算する。

第４図の試料支持装置では、試料を支持する支持装置は
軸θ１．θ２を中心とする２個の回動の自由度を有する
と共に、軸θ３を中心とする第３の回動の自由度並びに
軸Ｔ＋　、Ｔ２及びＴ、に沿う３個の並進の自由度を有
している。

第１の回動の自由度は２個の同軸的な回動によって得ら
れる。焦点Ｆ２′　を通る軸θ１を中心とする第１０回
動は、図示しないマイクロメータスクリューによって制
御される小さな回動板ＰＴ。

により行なう。この小さな回動板ＰＴ、は、試料用の支
持部材及び後述する分析アームを共に支持するプレート
１０に一体化される。回動板ＰＴ、が回動することによ
り後述する方法によって入射角を選択することができる
。

調整位置において軸θ、と一致する軸θ１′を中心にし
て回動する第２の小さな回動板ＰＴ２によって、第１０
回動板ＰＴ、の位置によって決定された入射角を変化さ
せることなく試料Ｅの向きを変えることができる。

水平軸θ２を中心とする第２の回動は、プレート１０上
に装着されている支持部材１１（ゴニオクレードル）内
で回転するゴニオクレードル１２を変位させることによ
って１／１００度の精度で得られる。

軸θ２は焦点Ｆ２’で軸θ１と交差する。この結果、軸
θ１′は焦点Ｆ２’を常時通過する。

ゴニオクレードル１１は第２の回動板ＰＴ２を支持し、
この回動板ＰＴ２は軸Ｔ＋　、Ｔ２　、Ｔ３に沿う３個
の並進並びに軸θ３を中心とする回動を行なう装置の残
りの部分を支持する。軸θ２に平行な軸Ｔ２に沿う並進
は回動板ＰＴｚ上に装着されているプレート２０により
行なう。軸Ｔ２及び軸θ！′にそれぞれ直交する軸Ｔ３
に沿う並進は、プレート２０上に装着したプレート３０
によって行なう。最後に、軸θ、′に平行な軸Ｔ１に沿
う並進は、ブラケット４１によってプレート３０上に支
持されると共に軸Ｔ３に平行な軸θ３を具える回動板５
０を支持するプレート４０によって行なう。試料Ｅを回
動板５０の前面５１上に固定し、この回動板５０によっ
て試料をその軸を中心に回動させることができる。これ
により、試料を好適な方向（金属化ライン等）の所望の
向きに位置させることができる。

Ｔ３方向に並進移動させて試料表面を焦点Ｆ２’に一致
させれば、ステップモータによって０，１μｍづつＴ１
及びＴ２方向に並進させることにより試料の地図表示を
行うなうことができる。Ｔ、及びＴ２方向に並進させる
場合、このＴ、方向の並進作業を省略することができな
い。軸θ１′、θ２は焦点Ｆ２’　を通るので、軸θ、
′、θ２及びθ３を中心とする３個の回動調整を行なっ
ても焦点Ｆ２′に一致している試料表面上の点が焦点Ｆ
２’　からずれることはない。

第５図に示す構成では、分析アームは可動プレート（プ
レートＰＴ＋）に一体化され軸θ１を中心としてその面
内で回動することができ、これにより入射角を変化させ
ることができると共に楕円偏光装置を試料で反射が生じ
ない直線形態とすることもできる。このように構成する
ことにより光学系本体を整列させることができると共に
入射角の測定基準を定めることができる。この分析アー
ムは試料支持部材を具えると共に、２に位置する同一焦
点の２個の球面ミラーＭ９及びＭ　ｌ。、回転検光子及
び種々の検出器が設けられているターレットを有する光
検出系を含む検出系と、整列用のレーザと、並びに観察
用顕微鏡とを具えている。

試料で反射した照明ビームはミラーＭ、に入射し、この
ミラーＭ、によりミラーＭ１ｏに向けて反射し、ミラー
Ｍ＋ｏにより回転検光子Ａを通過した後ターレットの検
出器上に集束する。ミラーＭ。

及びＭ、ｏへの入射角はできるだけ小さくなるように選
択し、特に約６°程度に選択して反射の偏光状態が乱さ
れないようにする。

回転検光子Ａは方解石でできており、直流モータの中空
ブランチ内に装着されている。元符号器はモータの軸に
一体化されている。

ターレットは軸ＹＹ’を中心にして回転することができ
、この結果このターレットに支持されている別の検出器
を光路中に位置させることができると共に、整列用レー
ザ及び観察用顕微鏡を用いて別のスペクトル域をカバー
する。検出器は焦点面からいくぶんひっ込んでいるため
、焦点面内に配置され感知表面の小さい検出器を用いな
くても各検出器を均一に照明することができる。

低い倍率の観察用顕微鏡により、分析光学系を介して試
料を観察できると共にミラーＭ８の位置及び照明アーム
のスリブ）Ｆ＋ｓ’　の位置を調整することができる。

本例では整列用レーザをＨｅ−Ｎｅ　レーザとし、この
整列用レーザによって試料を支持する光学系本体の位置
合せを行なう。

検出器からの信号Ｉは、回転検光子の周波数の２倍の周
波数でシヌソイドになる。Ａが回転検光子の軸ｐに対す
る角度を示し、Ｐが偏光子の軸ｐに対する角度を示すも
のとすれば、次式が成立する。

Ｉ＝ｋ（１＋α、Ｃ０８２Ａ＋βｏｓｉｎ２Ａ）ｊａｎ
”ψ−ｊａｎ２Ｐ α０− ｔａｎ２ψ＋ｔａｎ２Ｐ 上式においてα。及びβ０は正規化されたフーリエ係数
である。

この結果、 後者の２個の式は、楕円偏光測定が角度測定に対しであ
る程度要約され得ることを表わしている。

測定値が良好な絶対精度を有するには、全ての角度、す
なわち入射角、偏光子の配向角並びに回転検光子の位置
決めを正確に決定することが重要である。試料の向きも
同様に重要である。けだし、入射角を定めることになる
からである。

楕円偏光装置、分析アーム及び直線形態で示される試料
支持装置の更生方法について説明する。

第１の作業は、観察用顕微鏡を用いて光照明アームのミ
ラーＭ８及びスリットＦ＋ｓ’　の位置を調整すること
である。試料がない状態で、ターレット上に配置したレ
ーザからのビームを反射させずに逆方向からの軌跡で光
学系を通過させる。レーザビームが全てのミラーの中心
を通るように回動板ＰＴ、によって規定される分析アー
ムの位置を、入射角測定用の基準とする。レーザビーム
の光軸を用いて試料表面とレーザビームとの間で完全な
平行が維持されるように、すなわちレーザビームが試料
表面をかすめて入射するように試料支持装置の軸θ、′
及びθ２を中心として回動させる。

次に、軸Ｔ３に沿ってレーザビームの半分がかくれるま
で並進させる。これにより、照明アームの焦点Ｆ２’　
が試料表面上に位置することになる。

軸θ１′、θ２．θ３を中心として回動させても（同様
に軸Ｔ１及びＴ２に沿って並進させても）、試料軸Ｔ３
に沿う位置は変化しないので、調整が改善されセツティ
ングを確実に行なうことができる。

これらの調整の後、分析アームを回動させて測定位置に
セットすることができる。回動板ＰＴ。

の回動は１／１００°の精度で測定されるので、入射角
は高精度に決定される。

測定系の本体を上述した測定形態とすることによって検
出した信号を考慮することにより、試料表面の全方位に
ついて測定することができる。回転検光子を角周波数ω
で回転させる。検出信号は２ωの周期の周波数を有する
。試料が入射面に対して正しくない位置にあれば、周波
数ωの周期的な期間が信号に現われる。従って、試料の
位置決めは軸θ８′及びθ２について回動させることに
より達成されるので、周波数ωの寄生成分が除去される
。周波数２ωの信号の２個の周期を重ね合せることによ
りオシロスコープに表示される信号を可視的に検査する
ことにより周波数ωの全ての成分を示すことができる。

自由度（θ３．ＴＩ、Ｔ２）を維持することにより、も
はや試料面の配向は変化しなくなる。これらの自由度に
よって試料上の測定点を選択できる（Ｔ、及びＴ２の並
進）と共に試料の地図表示を達成することができ、試料
が動的要因を示している場合試料と所定の方向、例えば
水平方向又は垂直方向に整列させることができる（軸θ
３を中心とする回転）。

試料支持装置の自由度の機能は、次のように要約するこ
とができる。

・軸θ１を中心にして回動することにより入射角を５周
整すること力（できる。

・軸θ１′及びθ２を中心にして回動させることにより
、すなわち試料を焦点Ｆ２’　を中心にして直交する２
個の面内で回動させることにより光路に対して試料を配
向させることができる。

・軸θ３を中心にして回動させることにより焦点Ｆ２’
　を通る軸を中心にして試料面内で試料を回動させるこ
とができる。

・Ｔ１及びＴ２方向に並進させることにより測定される
べき試料上の点を選択することができる。

・Ｔ３方向に並進させることにより、焦点Ｆ２’の面内
に試料を位置させることができ、試料の厚さが異なる場
合に有効である。

試料を位置決めしたら、偏光子及び検光子の角度位置を
マークする。これは、次式で規定される残差Ｒを最小に
することにより行なわれる。

Ｒ＝１−η２　（α２＋β２） ここで、η２は検出器から供給される信号を濾波する電
子検出系により発生する減衰係数である。

残差Ｒを測定するため偏光子を手動によって位置Ｐの近
傍、すなわち位置Ｐ。に位置させる。残差及び信号の位
相の値を、間隔Ｐ。−ＡＰ、。

Ｐｏ＋ＡＰｏの２Ｎ＋１個の等距離点て測定する。

最小値付近の残差の変化を、最小象限法によって係数が
計算されるバラポリツク関数によって近似する。

この手法により、２／１００°の角度の精度で偏光子を
位置決めできると共に測定されたフーリエ（糸数から減
衰及び位相差について補正されたフーリエ係数を形成す
るために必要な全てのパラメータを決定することができ
る。

減衰η２をＲ＝１−η２の最小値から取り出す。

この値は増幅器の時定数及び検出器の帯域に依存する。

フォトマルチプライヤに関し、その帯域は変調周波数に
関し極めて大きく、時定数は０．１ｍ秒であり検光子の
回転周波数は２０Ｈ２であるから、Ｒの最小値は約０．
００４になる。

位相差の測定に関し、偏光子がＰ＝Ｏに位置する場合α
及びβの値はそれぞれ１及び０とする必要がある。Ｐ＝
Ｏにおけるフーリエ係数の測定により位相差ψの値は次
式で与えられる。

α′ 測定を行なうに当って、偏光子を更生位相として決定し
た位置Ｐ＝Ｏからある角度だけずらす。

【図面の簡単な説明】

第１図は試料表面での反射場の状態を示す模式第２図は
本発明による楕円偏光計に用いるモノクロメータの構成
を示す線図、 第３図は本発明による照明アームの構成を示す線図、 第４図は本発明により楕円測針の地図表示に好適な試料
支持装置の構成を示す斜視図、第５図は試料支持装置及
び検出計を具える分析アームの構成を示す線図である。 Ｅ・・・試料　　　　　　　Ｓ・・・光源Ｆ・・・入射
スリット

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、出射スリットを有し、この出射スリットの像が少な
   くとも第１の球面ミラーによって試料表面と共役な関係
   にあるモノクロメータと、前記球面ミラーと試料との間
   に配置されている偏光子とを具える検光子回転型分光楕
   円偏光計用の試料照明装置において、前記共役関係を達
   成するために第２の球面ミラーと非点収差補正スリット
   とを具え、この非点収差補正スリットが、前記第１球面
   ミラーによって形成したモノクロメータの出射スリット
   の像の近傍に配置されると共に、前記出射スリット並び
   に光軸に対して直角に配置され、前記補正スリットが第
   ２の球面ミラーを介して試料と共役関係になり、非点収
   差誤差が補正された照明スポットを試料表面上に形成し
   得るように構成したことを特徴とする試料照明装置。 ２、前記モノクロメータの出射スリットと第１球面ミラ
   ーとの間の光路中に配置した第１の反射ミラーと、前記
   第２の球面ミラーと試料との間の光路中に配置した第２
   の反射ミラーとを具えることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の試料照明装置。