JPS63168541A - Ellipsometer - Google Patents

Ellipsometer

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Publication number
JPS63168541A
JPS63168541A JP31566086A JP31566086A JPS63168541A JP S63168541 A JPS63168541 A JP S63168541A JP 31566086 A JP31566086 A JP 31566086A JP 31566086 A JP31566086 A JP 31566086A JP S63168541 A JPS63168541 A JP S63168541A
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JP
Japan
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incident
component
angle
sample surface
light
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JP31566086A
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Japanese (ja)
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JPH0812148B2 (en
Inventor
Miyuki Shigehisa
重久 三行
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Jasco Corp
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Japan Spectroscopic Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To measure refractive index on an object at a high accuracy in a short time with a high S/N ratio free from background light, by inserting a phase modulation element into an optical path to a sample to control an angle of incidence into the sample with the regulation of the bearing of a linearly polarizing element or an analyzer. CONSTITUTION:A mechanism 18 is provided to control an angle phi0 of incidence into the surface of the sample 1 and a linearly polarizing element 12 is placed in an incidence optical path so that the polarization bearing of incident linearly polarized light is + or -45 deg. in the initial state. A bearing control mechanism 21 is provided to turn the bearing of the element 12 by theta deg. from + or -45 deg. and a phase modulation element 13 with the amplitude delta0 and the modulation angle frequency omega is arranged in a reflection optical path so that the delay axis bearing thereof is + or -45 deg.. An analyzer 14 is provided on the incident side of the element 13 so that the transmission axis thereof is 0 deg. (90 deg.) and moreover, a photo detector 15 is provided while a separation circuit 16 is provided to extract omega and 2omega and DC components of a detection signal independently. The polarization bearing of the element 12 is turned to zero the 2omega component and fixed at an angle theta of rotation from + or -45 deg.. Under a condition, the angle phi0 of incidence is controlled to max the component and then, refractive index of the sample surface and the thickness of a thin film are determined from angles theta and phi0.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は光の偏光という特性を利用して、物体(試料
面)上の薄膜の厚さや試料面上の膜の物性に関する屈折
率を測定するエリプソメータに関するものでおる。
Detailed Description of the Invention Field of Industrial Application This invention is an ellipsometer that uses the polarization property of light to measure the thickness of a thin film on an object (sample surface) and the refractive index related to the physical properties of the film on the specimen surface. It's about.

従来の技術 第1図に示すように、表面に薄膜2を有する試料1の表
面に、直線偏光を斜め上方から入射角ψ0で入射させれ
ば、試料表面上の薄膜厚さや屈折率によって反射光の偏
光状態が変化し、通常は楕円偏光となって反射される。
Conventional technology As shown in Fig. 1, if linearly polarized light is incident obliquely from above on the surface of a sample 1 having a thin film 2 on the surface at an incident angle ψ0, the reflected light will vary depending on the thickness and refractive index of the thin film on the sample surface. The polarization state of the light changes, and it is usually reflected as elliptically polarized light.

そこでこの反射光の偏光変化量を測定し、解析計算を行
なうことによって、試料表面の薄膜の厚さや屈折率を求
めることができ、これをエリプソメトリと称し、またそ
の装置を一般にエリプソメータと称している。
By measuring the amount of change in polarization of this reflected light and performing analytical calculations, it is possible to determine the thickness and refractive index of the thin film on the sample surface. This is called ellipsometry, and the device is generally called an ellipsometer. There is.

このようなエリプソメータにおいて薄膜の厚さや屈折率
を求めるために必要な反射光の偏光変化量の重要なパラ
メータとしては、反射によって水平p座標面上における
p成分波とそれに垂直なS座標面上のS成分波との間に
生じた位相ずれTと、p成分波とS成分波との反射率の
相違に起因して生じた画成分波の振幅の相違による偏光
の主軸方位の変化置市とがある。
In such an ellipsometer, the important parameter of the amount of polarization change of reflected light necessary to determine the thickness and refractive index of a thin film is that the p component wave on the horizontal p coordinate plane and the perpendicular S coordinate plane due to reflection are Changes in the principal axis direction of polarization due to the phase shift T generated between the S component wave and the difference in amplitude of the image component wave caused by the difference in reflectance between the P component wave and the S component wave. There is.

ところで従来のエリプソメータとしては、大別して測光
型のものと消光型のものとの2種のタイプのものがある
。測光型は、偏光プリズムを連続回転させて、その角度
と検出された光強度との関係から位相ずれγと主軸方位
の変化量ψを計算によって求めるものである。一方消光
型は、試料で変化した偏光を光学素子の回転によって元
の状態に戻し、その補償角から位相ずれTと主軸方位の
変化置市を求めるものである。そしてこれらの2方式は
、いずれも光の強度の変化量、すなわち光検出器の直流
分の出力を測定することによって必要な情報を得ている
By the way, conventional ellipsometers can be roughly divided into two types: photometric type and extinction type. In the photometric type, a polarizing prism is continuously rotated, and the phase shift γ and the amount of change ψ in the principal axis direction are calculated from the relationship between the angle and the detected light intensity. On the other hand, in the extinction type, polarized light that has changed in the sample is returned to its original state by rotating an optical element, and the phase shift T and change in principal axis direction are determined from the compensation angle. Both of these two methods obtain the necessary information by measuring the amount of change in light intensity, that is, the DC output of the photodetector.

発明が解決すべき問題点 従来のエリプソメータのうち、測光型のものは、偏光変
化量のパラメータである位相ずれγおよび主軸方位の変
化量ψを計算で求めているため、強度比の大きい直線偏
光に近いところでは、測定精度が悪くなる問題がある。
Problems to be Solved by the Invention Among conventional ellipsometers, photometric type ellipsometers calculate the phase shift γ and the change amount ψ in the principal axis direction, which are parameters for the amount of change in polarization. There is a problem that measurement accuracy deteriorates in areas close to .

一方消光型では、偏光角度を直接的に角度として測定す
るため、偏光プリズムの性悪極限までの高い測定精度が
得られる利点もあるが、測定時に偏光プリズムの回転移
動を伴なうため測定時間が長い欠点がある。
On the other hand, the extinction type directly measures the polarization angle as an angle, so it has the advantage of achieving high measurement accuracy to the extreme of a polarizing prism. There are long drawbacks.

そして測光型、消光型の両者に共通の欠点として、光強
度を直流成分として検出しているため、背影光などの影
響を直接受け、信号対雑音比(S/N)が悪い問題があ
る。
A common drawback of both the photometric type and the extinction type is that because the light intensity is detected as a DC component, they are directly affected by background light and the like, resulting in a poor signal-to-noise ratio (S/N).

したがってこの発明は、背影光の影響などを受けること
なく高いS/Nをもって高精度かつ短時間で物体上の薄
膜や屈折率を測定することができるエリプソメータを提
供することを目的とするものでおる。
Therefore, an object of the present invention is to provide an ellipsometer that can measure thin films and refractive indexes on objects with high precision and in a short time with high S/N without being affected by background light. .

問題点を解決するための手段 この発明のエリプソメータでは、基本的には試料に直線
偏光を入射するとともに、試料への入射光路中もしくは
反射光路中に位相変調素子を挿入して、試料への入射光
もしくは反射光を変調させ、光検出器の信号からその変
調周波数に同期して変調周波数の成分、変調周波数の2
倍の周波数成分、および直流成分を取出し、前記変調周
波数の2倍の周波数成分V(2ω)が零となるように直
線偏光素子もしくは検光子の方位を制御し、その状態で
変調周波数の周波数成分■(ω)が最大となるように試
料への入射角ψOを制御し、そのときの直角偏光素子も
しくは検光子の回転角θを入射角ψ0から試料の複屈折
率の値および/または薄膜の厚さを求めるようにした。
Means for Solving the Problems In the ellipsometer of the present invention, basically linearly polarized light is incident on the sample, and a phase modulating element is inserted in the optical path of incidence on the sample or in the optical path of reflection. The light or reflected light is modulated, and the components of the modulation frequency and the two of the modulation frequency are synchronized with the modulation frequency from the signal of the photodetector.
The frequency component twice the modulation frequency and the DC component are extracted, and the direction of the linear polarizer or analyzer is controlled so that the frequency component V (2ω) twice the modulation frequency becomes zero, and in that state, the frequency component of the modulation frequency is ■ Control the incident angle ψO to the sample so that (ω) is maximum, and then change the rotation angle θ of the right-angle polarizer or analyzer from the incident angle ψ0 to the birefringence value of the sample and/or the thin film. I tried to find the thickness.

具体的には、第1発明は、直線偏光を試料面に入射ぜし
めてその反射光の偏光状態から試料面に関する値を測定
するエリプソメータにおいて、試料面への入射光の入射
角ψOを制御する入射角制御機構を設け、かつ試料面へ
の入射光の光路中に、試料面への入射直線偏光の偏光方
位を初期状態で入射面に対して+45°もしくは一45
°となるように直線偏光素子を配置し、さらにこの直線
偏光素子の方位を+45°からθ°だけ回転させる方位
制御機構を設け、試料面からの反射光の光路中に、振幅
δ0、変調角周波数ωなる位相変調素子をその遅延軸方
位が入射面に対して+45°もしくは一45°となるよ
う配置するとともに、その位相変調素子の出射側に、透
過軸方位が入射面に対して0°もしくは90’となるよ
うに検光子を配置し、さらにその検光子の出射側に光を
光電変換するための光検出器を配置し、その光検出器の
出力信号のω成分、2ω成分および直流成分をそれぞれ
独立して取出すための信号成分分離回路を設け、前記2
ω成分が零となるように直線偏光素子の偏光方位を回転
させてそのときの+45°からの回転角θで偏光方位を
固定し、かつその状態でω成分が最大となるように入射
角ψ0を制御して、そのときの回転角θおよび入射角ψ
Oから試料面の屈折率および/または試料面の薄膜の厚
さを求めるようにしたことを特徴とするものである。
Specifically, the first invention provides an ellipsometer that makes linearly polarized light incident on a sample surface and measures a value related to the sample surface from the polarization state of the reflected light. An angle control mechanism is provided, and the polarization direction of the linearly polarized light incident on the sample surface is adjusted to +45 degrees or -45 degrees with respect to the incident surface in the initial state in the optical path of the incident light on the sample surface.
A linear polarizing element is arranged so that the angle is 0°, and an azimuth control mechanism is provided to rotate the azimuth of this linear polarizing element by θ° from +45°. A phase modulation element with a frequency of ω is arranged so that its delay axis orientation is +45° or -45° with respect to the incident plane, and a transmission axis orientation of 0° with respect to the incidence plane is placed on the output side of the phase modulation element. Alternatively, an analyzer is arranged so that the angle is 90', and a photodetector for photoelectric conversion of light is arranged on the output side of the analyzer, and the ω component, 2ω component, and DC component of the output signal of the photodetector are arranged. A signal component separation circuit for extracting each component independently is provided, and
Rotate the polarization direction of the linear polarizing element so that the ω component becomes zero, fix the polarization direction at the rotation angle θ from +45°, and set the incident angle ψ0 so that the ω component becomes maximum in that state. to control the rotation angle θ and the incident angle ψ
This method is characterized in that the refractive index of the sample surface and/or the thickness of the thin film on the sample surface are determined from O.

また第2発明のエリプソメータは、基本的には位相変調
素子を試料への入射光路中に配置し、かつ検光子の方位
を制御するようにした点か第1発明のエリプメータと異
なる。すなわち第2発明のエリプソメータは、直線偏光
を試料面に入射せしめてその反射光の偏光状態から試料
面に関する値を測定するエリプソメータにおいて、試料
面への入射光の入射角ψ0を制御する入射角制御機構を
設け、かつ試料面への入射光の光路中に、直線偏光の偏
光方位を入射面に対し0°もしくは90’ となるよう
に直線偏光素子を配置するとともに、その直線偏光素子
と試料面との間に振幅δO1変調角周波数ωなる位相変
調素子をその遅延軸方位が入射面に対して+45°もし
くは一45°となるように配置し、試料面からの反射光
の光路中に、透過軸方位が初期状態で入射面に対して+
45°もしくは一45°となるように検光子を配置し、
その検光子には=45°の方位からθ°だけ回転させる
方位制御機構を設け、さらにその検光子の出射側に光を
光電変換するための光検出器を配置し、その光検出器の
出力信号のω成分、2ω成分および直流成分をそれぞれ
独立して取出すための信号成分分離回路を設け、ざらに
前記2ω成分が零となるように検光子の方位を回転させ
てそのときの±45゜からの回転角θで偏光方位を固定
し、かつそ状態でω成分が最大となるように入射角ψ0
を制御して、そのときの回転角および入射角ψ0から試
料面の屈折率および/または試料面の薄膜の厚さを求め
るようにしたことを特徴とするものである。
The ellipsometer of the second invention differs from the ellipsometer of the first invention basically in that a phase modulation element is disposed in the optical path of incidence on the sample and the orientation of the analyzer is controlled. That is, the ellipsometer of the second invention is an ellipsometer that makes linearly polarized light incident on the sample surface and measures a value related to the sample surface from the polarization state of the reflected light, and the ellipsometer has an incident angle control that controls the incident angle ψ0 of the incident light on the sample surface. A mechanism is provided, and a linear polarizing element is arranged in the optical path of the incident light to the sample surface so that the polarization direction of the linearly polarized light is 0° or 90' with respect to the incident plane, and the linear polarizing element and the sample surface are A phase modulation element with an amplitude δO1 and a modulation angular frequency ω is placed between the The initial axis orientation is + with respect to the plane of incidence.
Place the analyzer so that it is 45° or -45°,
The analyzer is equipped with an azimuth control mechanism that rotates it by θ° from the azimuth of =45°, and a photodetector for photoelectric conversion of light is placed on the output side of the analyzer, and the output of the photodetector is A signal component separation circuit is provided to independently extract the ω component, 2ω component, and DC component of the signal, and the orientation of the analyzer is rotated so that the 2ω component becomes zero, and the azimuth of the analyzer is ±45° at that time. The polarization direction is fixed at the rotation angle θ from
is controlled, and the refractive index of the sample surface and/or the thickness of the thin film on the sample surface are determined from the rotation angle and the incident angle ψ0 at that time.

作   用 この発明のエリプソメータの作用を説明する前に、先ず
エリプソメータの測定原理について説明し、それに続い
てこの発明のエリプソメータの理論的解析をその作用と
ともに説明する。
Function Before explaining the function of the ellipsometer of the present invention, the measurement principle of the ellipsometer will be explained first, and then the theoretical analysis of the ellipsometer of the present invention will be explained together with its function.

A:エリプソメータの測″″7、環 エリプソメータは、物体の表面で光が反射する際の偏光
状態の変化を観測して、物体自身の光学定数(屈折率)
または物体の表面に付着した薄膜の厚さと光学定数(屈
折率)を知る方法である。そこで先ず物体自身、すなわ
ち薄膜がない場合の下地の光学定数の測定原理を、続い
て薄膜がある場合の薄膜の厚さと光学定数の測定原理に
ついて分けて説明する。
A: Ellipsometer measurement 7. A ring ellipsometer measures the optical constant (refractive index) of the object itself by observing changes in the polarization state when light is reflected on the surface of the object.
Another method is to find out the thickness and optical constant (refractive index) of a thin film attached to the surface of an object. First, we will explain the principle of measuring the optical constants of the object itself, that is, the underlying material when there is no thin film, and then the principle of measuring the thickness and optical constants of the thin film when there is a thin film.

A−1:iの、   の測− 先ず試料の光学定数を’fi=n−ikとする。A-1: Measurement of i First, let the optical constant of the sample be 'fi=n-ik.

ここで石は複素数屈折率、nは屈折率、kは吸収係数、
iは虚数単位である。
Here, the stone has a complex refractive index, n is the refractive index, k is the absorption coefficient,
i is an imaginary unit.

真空中から入射角ψ0で入射する単色平行光束の入射面
に平行な振動成分(p成分)の(膜幅反射率(フレネル
係数)をてP、入射面に垂直な振動成分(S成分)の振
幅反射率(フレネル係数)をてsとし、これらをそれぞ
れ ’?’p = rp exp(−iφp )     
(1)’?”s = r s exp(−rφs ) 
     (2)とする。これらは試料の光学定数fi
=n−ikと入射角ψ0との関数となっている。
The vibration component (p component) parallel to the plane of incidence of a monochromatic parallel light beam incident from vacuum at an angle of incidence ψ0 (film width reflectance (Fresnel coefficient)) is P, and the vibration component (S component) perpendicular to the plane of incidence is The amplitude reflectance (Fresnel coefficient) is s, and these are respectively '?'p = rp exp (-iφp)
(1)'? ”s = r s exp (-rφs)
(2). These are the optical constants fi of the sample
=n-ik and the incident angle ψ0.

吸収係数に=oの透明体試料では一般にφP、φSはO
またはπ、従って7′″p、’Fsは実数であるので、
入射した直線偏光は楕円偏光とならずに、直線偏光とし
て反射される。
In a transparent sample with an absorption coefficient of =o, φP and φS are generally O.
or π, so 7′″p, 'Fs is a real number, so
The incident linearly polarized light does not become elliptically polarized light but is reflected as linearly polarized light.

しかし、金属などの吸収体試料(k≠O)では、反射に
起因する位相差(リターデーション)T、すなわち γ=φP−φ5(3) は、入射角ψ0の値によって、0からπまで連続的に変
化するから、一般に7”p/?″Sは複素数(てP、7
′″Sの各々も複素数)である。
However, in absorber samples such as metals (k≠O), the phase difference (retardation) T due to reflection, that is, γ = φP - φ5 (3), is continuous from 0 to π depending on the value of the incident angle ψ0. Generally speaking, 7"p/?"S is a complex number (teP, 7
'''Each of S is also a complex number).

= tan veXI) l γ =ρexp iγ       (4)と書き、tan
v=ρ(=rp /rs>を振幅反射率比または(膜幅
反射係数比(実数)と呼んでいる。
= tan veXI) l γ =ρexp iγ (4), and tan
v=ρ(=rp/rs> is called amplitude reflectance ratio or (film width reflection coefficient ratio (real number)).

このように吸収体試料では’?”p/?sが複素数であ
るから、入射した直線偏光は楕円偏光として反射される
In this way, in the absorber sample'? ``Since p/?s is a complex number, the incident linearly polarized light is reflected as elliptically polarized light.

その楕円偏光のパラメーターを二つ(たとえば、楕円の
長軸の方位角αと楕円率X)を測定すれば、それから振
幅反射率比ρミtanVと位相差(リターデーション)
Tを求めることかできる。この二つのi tan軍、γ
と屈折率nおよび吸収係数にとの間には、次の様な関係
式が知られている。
If we measure two parameters of the elliptically polarized light (for example, the azimuth α of the long axis of the ellipse and the ellipticity
It is possible to find T. These two i tan forces, γ
The following relational expression is known between n, refractive index, and absorption coefficient.

n2 −に2 したがって、Wの値とγの値を知れば、試料の屈折率口
と吸収係数kを求めることができるのである。
n2 -2 Therefore, if the values of W and γ are known, the refractive index and absorption coefficient k of the sample can be determined.

A−2:薄膜の厚さと′ 定スの決− 第2図に示すように、屈折率n2 =n2−1k2(既
知とする)の下地面上に屈折率h1=n1−ik1、厚
ざdの等方均質な薄膜2があり、これに入射角ψ0で直
線偏光が入射するものとする。
A-2: Determining the thickness of the thin film and its width - As shown in Figure 2, the refractive index h1 = n1-ik1, the thickness difference d is Assume that there is an isotropic homogeneous thin film 2, into which linearly polarized light is incident at an incident angle ψ0.

反射光Rは薄膜表面で反射した光R1ヤ、薄膜と下地の
境界面で反射してくる光R2、以下薄膜中を往復しなが
ら出てくるR3以降の光の合成とすなる。すなわち、 R=R1+R2+R3+・・・    (7)膜内での
繰返し反射干渉を考慮に入れた面全体としての振幅反射
率は、p成分、S成分に対して、それぞれ で与えられる。
The reflected light R is a combination of the light R1 reflected on the surface of the thin film, the light R2 reflected on the interface between the thin film and the base, and the light R3 onward that comes out while reciprocating within the thin film. That is, R=R1+R2+R3+... (7) The amplitude reflectance of the entire surface, taking into account repeated reflection interference within the film, is given separately for the p component and the S component.

ここで、 (j−1,2> n j−+ sln (J) j−+ = n j s
:nψj          (12)δ=4πntd
cosψ1/λ       (13)で必り、てJP
Nてjsは、j=1のときは、第1而(真空−膜)、j
=2のとぎは第2面(膜−下地)におけるp、S成分の
振幅反射率(フレネル係数)である。またδは、模幅1
往復によって生ずる位相差でおり、λは真空中の波長で
おる。
Here, (j-1,2> n j-+ sln (J) j-+ = n j s
:nψj (12)δ=4πntd
cosψ1/λ (13) necessarily, teJP
Ntejs is, when j=1, the first element (vacuum - membrane), j
The value of =2 is the amplitude reflectance (Fresnel coefficient) of the p and S components on the second surface (film-substrate). Also, δ is model width 1
This is the phase difference caused by the round trip, and λ is the wavelength in vacuum.

ここで、Rp/RsはテJPなどのフレネル係数ヤδが
実数でも複素数になるから、反射光は楕円偏光になる。
Here, since Rp/Rs is a complex number even if the Fresnel coefficient δ such as TeJP is a real number, the reflected light becomes elliptically polarized light.

複素数反射係数比喜P/宜Sは、(4)式と同様に とあられされる。The complex reflection coefficient HikiP/YiS is the same as equation (4). Hail.

ここで、右辺の値tan里、γはエリプソメータで測定
される量であり、一方左辺の係数比は、(6)〜(11
)式から理解できるように、?’it  (nt 、k
t >、?’i2 (n2.に2)、d。
Here, the value tanri, γ on the right side is the quantity measured with an ellipsometer, while the coefficient ratio on the left side is (6) to (11
) As can be understood from the formula, ? 'it (nt, k
t>,? 'i2 (n2. to 2), d.

λ、ψ0の関数となっている。すなわちγ、V =F(nl 、n2.に1 、に2.d、λ、ψ0)(
15)式の右辺のパラメータの内、n2、k2、λ、ψ
0を既知として、測定値γ、里を用いれば、未知数とし
てnl 、dを解くことができる。
It is a function of λ and ψ0. That is, γ, V = F(nl, 1 for n2., 2.d, λ, ψ0) (
15) Of the parameters on the right side of the equation, n2, k2, λ, ψ
If 0 is known and the measured values γ and ri are used, nl and d can be solved as unknowns.

例えば、k1=O(透明膜)でおれば、未知数はnl 
、dだけであって、計算搬により簡単に値を求めること
ができる。kl>O(吸収膜)の場合も、γ、甲を測定
することにより、nl、kl、dを知ることができる。
For example, if k1=O (transparent film), the unknown quantity is nl
, d, and their values can be easily determined by calculation. Even when kl>O (absorbent membrane), nl, kl, and d can be determined by measuring γ and instep.

測定量の7−.14/より、求めるln1 、kl、d
の計算による算出方法は公知である。
Measured quantity 7-. 14/, find ln1, kl, d
A method of calculating is publicly known.

以上のように、試料面上の薄膜の厚さd、および光学定
数である屈折率n1、吸収係数klはエリプソメータに
より測定された振幅反射係数比−V(=ρ)および位相
差軍から求めることができるのである。
As described above, the thickness d of the thin film on the sample surface, the optical constants refractive index n1, and absorption coefficient kl can be obtained from the amplitude reflection coefficient ratio -V (=ρ) and the phase difference force measured by an ellipsometer. This is possible.

B:本 日の理論的解析 この発明のエリプソメータの光学配列にあける出力の解
析を、ミュラー行列の解析方法を用いて次のような手順
で行なう。なおここでは第3図に示される第1発明の光
学配列を例にとって説明する。
B: Today's Theoretical Analysis The output of the optical array of the ellipsometer of this invention will be analyzed using the Mueller matrix analysis method using the following procedure. Here, the optical arrangement of the first invention shown in FIG. 3 will be explained as an example.

先ず光検出器の出力信号について、位相変調素子の変調
周波数と同じ周波数の成分V(ω)、2倍の周波数の成
分V(2ω)、および直流成分V (DC)がどのよう
になっているかを導く。
First, regarding the output signal of the photodetector, what are the components V (ω) of the same frequency as the modulation frequency of the phase modulation element, the component V (2ω) of twice the frequency, and the direct current component V (DC)? guide.

次いでV(2ω)が零となるように直線偏光素子の偏光
方位を制御したときの条件を導く。さらにこのようにV
(2ω)が零となるように偏光方位を角度θで固定した
状態でV(ω)が最大となるように試料への入射角ψ0
を制御した時の条件を導く。そしてそのときの角度θと
入射角ψ0と複屈折率h(屈折率nおよび吸収係数k)
、薄膜厚さdとの関係を導く。
Next, conditions for controlling the polarization direction of the linearly polarizing element so that V(2ω) becomes zero will be derived. Furthermore like this V
With the polarization direction fixed at angle θ so that
Deduce the conditions when controlling. Then, the angle θ, the incident angle ψ0, and the birefringence h (refractive index n and absorption coefficient k)
, and the thin film thickness d.

次にこれらの解析手順を項に分けて記載する。Next, these analysis procedures are divided into sections and described.

B−1:各信1成 と位相差、反射係 Lの関係先ず各
光学素子をミュラー行列で表現する。
B-1: Relationship between each signal, phase difference, and reflection coefficient L. First, each optical element is expressed by a Mueller matrix.

検光子のミュラー行列AOは、 で表わされる。The Mueller matrix AO of the analyzer is It is expressed as

位相変調器のミュラー行列M45.δ(ω)は、但しδ
は、光学的位相変調器の変調の角周波数(角速度)をω
、振幅をδ0として δ = δ o  s+nω t          
                 (18)で表わさ
れる。
Mueller matrix of phase modulator M45. δ(ω) is δ
is the angular frequency (angular velocity) of modulation of the optical phase modulator
, where the amplitude is δ0, δ = δ o s+nω t
It is expressed as (18).

また45°の偏波面に対する試料の反射表面のミュラー
行列Siは、反射係数比rp、、’r、を与えれば、 で表わされる。但し、γは位相変化の差(位相差=リタ
ーデーション)、rp、r’3は、それぞれp成分、S
成分の反射係数である。
Further, the Mueller matrix Si of the reflective surface of the sample for the 45° polarization plane is expressed as follows, given the reflection coefficient ratios rp, ,'r. However, γ is the difference in phase change (phase difference = retardation), rp and r'3 are the p component and S
is the reflection coefficient of the component.

偏光状態の方位をθ°だけ回転させるミュラー行列To
は、 で表わされる。
Mueller matrix To that rotates the orientation of the polarization state by θ°
is expressed as .

ざらに45°の直線偏光のミュラー行列145は、で表
わされる。
The Mueller matrix 145 of roughly 45° linearly polarized light is expressed by .

この場合の光検出器の出力I (d)は、以上の(16
)式、(17)式、(19)式〜(21)式のミュラー
行列の積で表わされる。
The output I (d) of the photodetector in this case is (16
), (17), and (19) to (21).

1 (d) =Ao−M4s、δ(ω)・5i−TO・I45そこで
(16)式、(17)式、(19)式〜(21)式から
1 (d)を求めると次式となる。
1 (d) = Ao-M4s, δ(ω)・5i-TO・I45 Then, calculating 1 (d) from equations (16), (17), and (19) to (21), we get the following equation. Become.

1(d) ここでベッセル関数を用いてS1nδ、罵δを展開すれ
ば、 Sinδ=s+n  (δ0SIn(IJt)=2J1
  (bo )s+n(I)t+2J3(bo)s+n
3ωt+−(24)吋δ−COS(δosI11ωt) =Jo (δO)+2J2(δ0)COS2ωt+2J
4 (bo )cos4ωt+・・・で与えられる。
1(d) Here, if we expand S1nδ and δ using the Bessel function, we get Sinδ=s+n (δ0SIn(IJt)=2J1
(bo)s+n(I)t+2J3(bo)s+n
3ωt+-(24)吋δ-COS(δosI11ωt) =Jo(δO)+2J2(δ0)COS2ωt+2J
4 (bo)cos4ωt+...

光強度1 (d)に比例した光検出器の出力の電気信号
をV (d)とすると、V (d)は直流成分V(DC
>、ω成分■(ω)、2ω成分V(2ω)、および3ω
成分V(3ω)以上の高調波成分によって次のように表
わせる。
If the electrical signal of the output of the photodetector proportional to the light intensity 1 (d) is V (d), then V (d) is the direct current component V (DC
>, ω component ■(ω), 2ω component V(2ω), and 3ω
It can be expressed as follows using harmonic components of component V(3ω) or higher.

V(d) =VDc+V (ω) +V(2ω) 十(
高調波頂)(24)式、(25)式において、J’o 
 (δ0)の項は直流成分に、Jl (δO)の項はω
成分に、J2  (δ0)の項は2ω成分に相当する。
V(d) =VDc+V(ω) +V(2ω) 10(
Harmonic peak) In equations (24) and (25), J'o
The term (δ0) is the DC component, and the term Jl (δO) is ω
The term J2 (δ0) corresponds to the 2ω component.

したかって、(23)式および(24)式、(’25)
式から、(26bCf7)各成分V (DC) 、V 
(ω) 、V(2ω)を求めれば、 V(DC)−rp”+ ms2− (rp2− r3”
) s+n2θ+  (rp2−ms”)  ・ Jo
  (ろ0)−(rP2+rs2)Slnθ ・Jo 
(ろo)           (27)■(ω)=−
4rprs・山(5o) ・cos2θ5In7’  
 (28)V(2ω) =2 (rp2rs2) ・J
2(5o)−2(rp2+ ms2) SI+12θ・
J+ (bo>    (29)となる。
Therefore, equations (23) and (24), ('25)
From the formula, (26bCf7) each component V (DC), V
(ω), V(2ω), we get V(DC)-rp"+ ms2- (rp2- r3"
) s+n2θ+ (rp2-ms”) ・Jo
(ro0)-(rP2+rs2)Slnθ ・Jo
(roo) (27)■(ω)=-
4rprs・mountain(5o)・cos2θ5In7'
(28) V(2ω) = 2 (rp2rs2) ・J
2(5o)-2(rp2+ ms2) SI+12θ・
J+ (bo> (29)).

B−2:偏光方位の制御ilおよび入射角のり御ここで
、偏光子の方位を±45°から回転させて2ω成分の大
きさが零となるように制御した場合、(29)式でV(
2ω)=Oと置いて、rp2− rs2= (rp2+
 ms2) 5rn2θ  (30)が成立する。
B-2: Control of polarization direction il and incidence angle Here, if the direction of the polarizer is rotated from ±45° and controlled so that the magnitude of the 2ω component becomes zero, then in equation (29), V (
2ω)=O, rp2− rs2= (rp2+
ms2) 5rn2θ (30) holds true.

このように2ω成分が零となった条件のとき、直流成分
V(DC)は、(30)式ヲ(27)式に代入して、 V (DC) = (rp”+rs’) co<20 
 (31)となる。
Under such conditions that the 2ω component is zero, the direct current component V (DC) can be obtained by substituting equation (30) into equation (27), V (DC) = (rp''+rs') co<20
(31).

一方、2ω成かが零となった条件で反射係数比rs/r
p  (=tantl/)を求めれば、(30)式から このように2ω成分の大きざが零となるように直線偏光
素子を回転させ、方位角θ(但し初期の±45°からの
方位角)で固定し、その状態でω成分V(ω)が最大と
なるような条件を求めれば、前記(28)式のV(ω)
の式においてV(ω)が最大となるためには、 sinγ=1 すなわち  γ=π/ 2      (33)であれ
ば良いことが判る。
On the other hand, under the condition that the 2ω component becomes zero, the reflection coefficient ratio rs/r
Once p (= tantl/) is determined, the linear polarizing element is rotated so that the size difference of the 2ω component becomes zero as shown in equation (30), and the azimuth angle θ (however, the azimuth angle from the initial ±45° ), and if we find a condition such that the ω component V(ω) is maximized in that state, then V(ω) in the above equation (28)
It can be seen that in order for V(ω) to be maximized in the equation, sin γ=1, that is, γ=π/2 (33).

すなわち、試料への入射角ψ0を変化させて、変調周波
数と同じω成分V(ω)が最大となった入射角のとき、
位相差(リターデーション)Tが90°(π/2)とな
る。
In other words, when the incident angle ψ0 to the sample is changed and the incident angle is the one where the ω component V(ω), which is the same as the modulation frequency, is maximum,
The phase difference (retardation) T is 90° (π/2).

一般にT=π/2となるような入射角を主人射角Tと称
しており、したがってV(2ω)−〇となるように直線
偏光素子の方位角θを固定した条件下でV(ω)が最大
となるように入射角ψ0を制御すれば、そのときの入射
角が主入射角Tで、位相差γがπ/2となっている。
Generally, the angle of incidence such that T = π/2 is called the main angle of incidence T. Therefore, under the condition that the azimuth θ of the linear polarizer is fixed so that V(2ω) - 〇, V(ω) If the angle of incidence ψ0 is controlled so that the angle of incidence is maximized, the angle of incidence at that time is the main angle of incidence T, and the phase difference γ is π/2.

なお以上の関係は第3図の第1発明の例について述べた
が、第4図の第2発明の場合も、θが検光子の方位角と
なることが異なるだけであり、上記と同じ関係が成立す
る。
Although the above relationship has been described for the example of the first invention shown in FIG. 3, the same relationship as above applies to the second invention shown in FIG. 4, with the only difference being that θ is the azimuth angle of the analyzer. holds true.

B−3= 折率の算出関係 一般に光が媒質1(その光学定数nt =n1−ik1
)から媒質2(その光学窓数百2=n2−ik2)に入
射角ψ1で入射するときの屈折角をψ2、位相変化をT
とすれば、振幅反射率を表すS偏光のフレネル係数rs
、Pli光のフレネル係数rpは次式で与えられる。
B-3 = Calculation relationship of refractive index Generally, light is medium 1 (its optical constant nt = n1 - ik1
) to the medium 2 (its optical window number 2 = n2 - ik2) at an incident angle ψ1, the refraction angle is ψ2, and the phase change is T.
Then, the Fresnel coefficient rs of S-polarized light representing the amplitude reflectance is
, Pli light Fresnel coefficient rp is given by the following equation.

S偏光 rs=rse’φ5 P偏光 てp=rpe’φp ただし n−cosψ・=(Pi・2−siriψ・)耳  (
36)JJ    J     J 従って、空気中で吸収のある媒質に入射角ψ0で光を投
射したときは、 この式を用いると、次式を導き出すことができる。
S-polarized light rs=rse'φ5 P-polarized light p=rpe'φp where n-cosψ・=(Pi・2-siriψ・)ear (
36) JJ J J Therefore, when light is projected onto an absorbing medium in the air at an incident angle ψ0, using this equation, the following equation can be derived.

5irfψ0【mlψ0 ここで、P、Qはそれぞれ である。5irfψ0 [mlψ0 Here, P and Q are respectively It is.

(40)式を実数部分および虚数部分に分け、かつ ρ= rs / rp =tcn14/      (
41)とおいて整理すると、次式を得る。
Divide equation (40) into a real part and an imaginary part, and ρ=rs/rp=tcn14/(
41), we obtain the following equation.

n2−に2 = 5irfψO(1+ P2cos2 Qtariψ
0)2  n  k=−P2 s+n2Qs*rfψ 
Oknψ Oここで、吸収も少なく、入射角もある範囲
よりも小さくてn 2− k2>51riψOが成立す
る場合は、(38)式が簡単になるから、nとkが次式
で与えられる。
n2− to 2 = 5irfψO(1+ P2cos2 Qtariψ
0)2 n k=-P2 s+n2Qs*rfψ
OknψOHere, if the absorption is small and the incident angle is smaller than a certain range and n2-k2>51riψO holds, then equation (38) is simplified, and n and k are given by the following equations.

γ=π/2となる主入射角ψo=Tで測定を行なうと(
42)、(43)、(44)、(45)式は、それぞれ
次の様に書ける。
When measuring at the main angle of incidence ψo=T where γ=π/2, (
Equations 42), (43), (44), and (45) can be written as follows, respectively.

nlに2=s;nT (1+cOS4vtariT )
    (46)2 n k=5in4’J’5iff
TtariT         (47)n #COS
 2 vsln T tan T          
 (48)k :Sin 2 vsin T tari
 T           (49)ところで既に述べ
た(33)式から、 rs / rp =tanv=tan (45°−θ)
したがって 軍=45°−θ           (50)が成立
している。したがって(48)式、(49)式は(50
)式を用いて次のように書き換えられる。
2=s;nT (1+cOS4vtariT) in nl
(46) 2 n k=5in4'J'5iff
TtariT (47)n #COS
2 vsln T tan T
(48) k :Sin 2 vsin T tari
T (49) By the way, from the equation (33) already mentioned, rs / rp = tanv = tan (45° - θ)
Therefore, army = 45° - θ (50) holds true. Therefore, equations (48) and (49) are (50
) can be rewritten as follows.

n#5in2  θ Sin  T  tan  T 
                   (51)k#
cos2  θ S10 TtanT        
            (52)ここで正入射角Tは
、V(2ω)=○となるように方位角θを固定した状態
でV(ω)が最大となるように試料への入射角を制御し
たときの入射角であるから、既知となっている。また里
もθから(50)式により既知となっている。したがっ
てθおよびTから、(51)式、(52)式により屈折
率nおよび吸収係数kが求まることになる。
n#5in2 θ Sin T tan T
(51)k#
cos2 θ S10 TtanT
(52) Here, the normal incidence angle T is the incidence when the angle of incidence on the sample is controlled so that V(ω) is maximized with the azimuth angle θ fixed so that V(2ω) = ○. It is known because it is a corner. Furthermore, the village is also known from θ using equation (50). Therefore, from θ and T, the refractive index n and the absorption coefficient k can be found by equations (51) and (52).

B−3:薄膜の「ざdの算出 試料面上の薄膜についての求めるは、すなわち屈折率n
1、吸収係数kl、薄膜の厚ざdとエリプソメータによ
り測定される位相差γと振幅反射率比ta11v(=ρ
)との関係は、既に述べたように = tan”V  eXD (i  T >=p ex
pi 7           (53)で与えられて
おり、γ、里は次式で定まる関数である。
B-3: Calculation of the "d" of the thin film The calculation for the thin film on the sample surface is, that is, the refractive index n
1. Absorption coefficient kl, thin film thickness d, phase difference γ measured by an ellipsometer, and amplitude reflectance ratio ta11v (=ρ
), as mentioned above, = tan”V eXD (i T >=p ex
pi 7 (53), and γ and ri are functions determined by the following equation.

!/=f (nl 、kl 、d、nl、に2.ψ0.
λ)7=f (nl 、に4 、d、nl、に2.ψ0
.λ)従って、nl、kl、d、nl、k2、ψ0、λ
を与えてやれば軍、γを計算でき、逆に甲、γが求めら
れていれば、dを求めることができる。(54)式、(
55)式を計算して図表化したものが既に公知となって
おり、この種の詳しい図表を作っておけば内挿法によっ
て測定値よりただちに薄膜厚さdを知ることができる。
! /=f (nl, kl, d, nl, 2.ψ0.
λ)7=f (nl, 4, d, nl, 2.ψ0
.. λ) Therefore, nl, kl, d, nl, k2, ψ0, λ
If A and γ are given, then γ can be calculated, and conversely, if A and γ are found, d can be found. Equation (54), (
55) A graphical representation of the calculated formula is already known, and if such a detailed diagram is created, the thin film thickness d can be immediately determined from the measured value by interpolation.

なおγ、軍の測定値より、計算機を用いてdを求めるこ
とも可能である。
Note that it is also possible to obtain d using a computer from the measured values of γ and the military.

実施例 第3図にこの発明のエリプソメータの一実施例(第1発
明の例)を示す。
Embodiment FIG. 3 shows an embodiment of the ellipsometer of the present invention (an example of the first invention).

第3図において、白色光源10からの光はモノクロメー
タ11に入射されて波長λの単色光が選択され、その波
長λの単色光は偏光方位を一定に保つための直線偏光素
子(偏光子=ポーラライザ)12に入射され、初期状態
では入射面に対して十45°もしくは一45°の偏光方
位の直線偏光となって試料1に対し入射される。なおこ
の直線偏光素子12には、その偏光方位を±45°から
θだけ回転させるための方位制御機121が付設されて
いる。試料1の反射光は、前述のように通常は楕円陽光
となり、位相変調素子(光学的偏光変調素子)13、例
えばファラデーセルのようなフォトエラスティック変調
器13に入射される。この位相変調素子13は、振幅δ
0、角周波数ωで入射楕円偏光を左廻りの偏光、右廻り
の偏光に交番的に変化させるものであり、その遅延軸方
位が入射面に対して+45°もしくは一45°となるよ
うに配置されている。ざらに位相変調素子13の出射側
には、透過軸方位が入射面に対してOoまたは90’ 
となるように検光子(アナライザ)14が配置されてお
り、その検光子14の出射側には、光を光電変換するた
めのフォトマルチプライヤ等の光検出器15が配置され
ている。したがって位相変調素子13で偏光変調された
試料反射光は、検光子14を介して光検出器15に入射
され、その入射光に応じた信号が光検出器15から出力
される。
In FIG. 3, light from a white light source 10 is incident on a monochromator 11 to select monochromatic light with a wavelength λ, and the monochromatic light with a wavelength λ is passed through a linear polarizing element (polarizer= The light is incident on the sample 1 as linearly polarized light with a polarization direction of 145° or 145° relative to the plane of incidence in the initial state. Note that this linearly polarizing element 12 is attached with an azimuth controller 121 for rotating the polarization direction by θ from ±45°. As described above, the reflected light from the sample 1 usually becomes elliptical sunlight and enters a phase modulation element (optical polarization modulation element) 13, for example a photoelastic modulator 13 such as a Faraday cell. This phase modulation element 13 has an amplitude δ
0, the incident elliptically polarized light is alternately changed into counterclockwise polarized light and clockwise polarized light at angular frequency ω, and is arranged so that the delay axis direction is +45° or -45° with respect to the plane of incidence. has been done. Roughly speaking, on the output side of the phase modulation element 13, the transmission axis direction is Oo or 90' with respect to the incident plane.
An analyzer 14 is arranged so that the analyzer 14 has the following properties, and a photodetector 15 such as a photomultiplier for photoelectrically converting light is arranged on the output side of the analyzer 14. Therefore, the sample reflected light polarization-modulated by the phase modulation element 13 is incident on the photodetector 15 via the analyzer 14, and a signal corresponding to the incident light is output from the photodetector 15.

前記光検出器15の出力信号は、信号成分分離回路16
によって直流成分V (DC) 、ω成分V(ω)、2
ω成分V(2ω)にそれぞれ分離して取出される。この
信号成分分離回路16は、フィルタや同期整流回路等を
用いて構成される。信号成分分離回路16から得られた
各成分(DC)、V(ω)、V(2ω)の信号(但し同
期整流後の信号)のうち、2ω成分V(2ω)は、試料
1に対する入射角ψ0を制御するための入射角制御機構
18に与えられて、■(ω)が最大となるように入射角
ψ0を制御するために使用される。なおここで入射角制
御機構18は、単に入射角を制御するのみならず、試料
1からの正反射光が反射光路の光学系に入射されるよう
に制御することが望ましく、したがって例えば第3図に
示すように入射光路の光学系19と反射光路の光学系2
0の試料1に対する角度を同時に制御したり、あるいは
試料1を保持する図示しない試料基台の角度と入射光路
の光学系もしくは出射光路の角度とを同時に制御するよ
うに構成すれば良い。一方、信号成分分離回路16で分
離された直流成分V (DC)は、光検出器15または
図示しない増幅器へ与えられて、そのV (DC)が一
定となるように光検出器15の感度や増幅率が制御され
る。さらに、前述のようにV(2ω)が零となるように
直線偏光素子12の方位角が制御された時の方位角θと
、その状態で■(ω)が最大となるように入射角を制御
したときの入射角(すなわち正入射角T)は、コンピュ
ータおるいは専用の演算装置などの演算装置17に入力
される。この演算装置17においては、上記の方位角θ
および入射角Tや波長λ等の値から、既に述べたような
手法により、屈折率nや吸収係数k、ざらには薄膜の厚
みdが求められる。
The output signal of the photodetector 15 is sent to a signal component separation circuit 16.
The direct current component V (DC) and the ω component V (ω), 2
The ω component V (2ω) is separated and extracted. This signal component separation circuit 16 is constructed using a filter, a synchronous rectifier circuit, and the like. Among the signals of each component (DC), V(ω), and V(2ω) (signals after synchronous rectification) obtained from the signal component separation circuit 16, the 2ω component V(2ω) is determined by the incident angle with respect to the sample 1. It is applied to the incident angle control mechanism 18 for controlling ψ0, and is used to control the incident angle ψ0 so that ■(ω) is maximized. Note that it is desirable that the incident angle control mechanism 18 not only simply control the incident angle but also control the specularly reflected light from the sample 1 so that it is incident on the optical system of the reflected optical path. Therefore, for example, as shown in FIG. As shown in FIG.
0 with respect to the sample 1, or the angle of a sample base (not shown) that holds the sample 1 and the angle of the optical system of the incident optical path or the angle of the output optical path may be controlled simultaneously. On the other hand, the direct current component V (DC) separated by the signal component separation circuit 16 is given to the photodetector 15 or an amplifier (not shown), and the sensitivity of the photodetector 15 is adjusted so that the V (DC) becomes constant. The amplification factor is controlled. Furthermore, the azimuth angle θ when the azimuth angle of the linear polarizing element 12 is controlled so that V(2ω) becomes zero as described above, and the incident angle so that ■(ω) is maximized in that state. The angle of incidence (that is, normal incidence angle T) when controlled is input to a calculation device 17 such as a computer or a dedicated calculation device. In this calculation device 17, the above azimuth angle θ
From the values of the incident angle T, the wavelength λ, etc., the refractive index n, the absorption coefficient k, and roughly the thickness d of the thin film are determined by the method described above.

第4図にはこの発明のエリプソメータの他の実施例(第
2発明の例)を示す。   −第4図のエリプソメータ
においては、位相変調素子13は試料1に対する入射光
路に配設されている。すなわち直線偏光素子12と試料
1との間に振幅δ0、変調角周波数ωなる位相変調素子
13がその遅延軸方位が入射面に対し+45°もしくは
一45°となるように配置されている。そして直線偏光
素子12にはその偏光方位が0°もしくは90°に固定
されており、−5検光子14は初期状態でその透過軸方
位が+45°もしくは一45°となるようにされるとと
もに、方位制御機構21により+45°からθだけ回転
せしめられるようになっている。また信号成分分離回路
16から得られた同期整流後の2ω成分V(2ω)は、
検光子14の方位角を制御するために使用される。この
ほかの構成は第3図の例と同様である。
FIG. 4 shows another embodiment (an example of the second invention) of the ellipsometer of this invention. - In the ellipsometer of FIG. 4, the phase modulation element 13 is arranged in the incident optical path to the sample 1. That is, a phase modulating element 13 having an amplitude δ0 and a modulation angular frequency ω is arranged between the linear polarizing element 12 and the sample 1 so that its delay axis direction is +45° or -45° with respect to the plane of incidence. The polarization direction of the linear polarizing element 12 is fixed at 0° or 90°, and the -5 analyzer 14 is set so that its transmission axis direction is +45° or -45° in the initial state. The orientation control mechanism 21 allows rotation by θ from +45°. Further, the 2ω component V(2ω) after synchronous rectification obtained from the signal component separation circuit 16 is:
It is used to control the azimuth of the analyzer 14. The other configurations are similar to the example shown in FIG.

なお以上の各個において、光源部分のモノクロメータ1
1として選択波長を可変とした回折格子等の素子を用い
、波長走査を行ないつつ測定を行なえば、偏光状態の波
長分散をも知ることができる。
In addition, in each of the above, the monochromator 1 of the light source part
1. By using an element such as a diffraction grating with a variable selection wavelength and performing measurements while scanning the wavelength, it is also possible to know the wavelength dispersion of the polarization state.

発明の効果 この発明のエリプソメータは、試料反射光もしくは試料
入射光に対し角周波数ωでの位相変調を行なって検出光
強度信号の直流成分、ω成分、2ω成分を分離して、2
ω成分が零となるように直線偏光素子もしくは検光子の
方位角θを制御し、その状態でω成分が最大となるよう
に試料への入射角ψ0を制御(したがって正入射角Tと
なるように制御)し、これらの回転角θおよび入射角T
から試料の屈折率や厚みを求めるものであり、このよう
に変調して信号成分の分離を行なうことは交流的な検出
を意味するから、従来の直流的な検出の場合と比較して
背影光の影響などを格段に少なくしてS/Nを良好にし
、高精度で屈折率や厚みを求めることができる。
Effects of the Invention The ellipsometer of the present invention performs phase modulation on sample reflected light or sample incident light at an angular frequency ω to separate the DC component, ω component, and 2ω component of the detected light intensity signal.
The azimuth angle θ of the linear polarizer or analyzer is controlled so that the ω component becomes zero, and in this state the incident angle ψ0 to the sample is controlled so that the ω component becomes maximum (therefore, the angle of incidence is normal, T). ), and these rotation angles θ and incidence angles T
This method determines the refractive index and thickness of the sample from the 100-degree angle, and separating signal components by modulating in this way means alternating current detection. The refractive index and thickness can be determined with high accuracy by significantly reducing the influence of .

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

第1図は一般的なエリプソメトリの概念を示す略解図、
第2図は試料面上のN膜についてのエリプソメトリの概
念を示す略解図、第3図は第1発明のエリプソメータの
一例を示すブロック図、第4図は第2発明のエリプソメ
ータの一例を示すブロック図である。 1・・・試料、 2・・・薄膜、 12・・・直線偏光
素子、13・・・位相変調素子、 14・・・検光子、
 15・・・光検出器、 16・・・信号成分分離回路
、 18・・・入射角制陣機構、 21・・・方位制御
I機構。
Figure 1 is a schematic diagram showing the concept of general ellipsometry.
FIG. 2 is a schematic diagram showing the concept of ellipsometry for an N film on a sample surface, FIG. 3 is a block diagram showing an example of the ellipsometer of the first invention, and FIG. 4 is an example of the ellipsometer of the second invention. It is a block diagram. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Sample, 2... Thin film, 12... Linear polarization element, 13... Phase modulation element, 14... Analyzer,
15... Photodetector, 16... Signal component separation circuit, 18... Incident angle control mechanism, 21... Azimuth control I mechanism.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)直線偏光を試料面に入射せしめてその反射光の偏
光状態から試料面に関する値を測定するエリプソメータ
において、 試料面への入射光の入射角ψ_0を制御する入射角制御
機構を設け、かつ試料面への入射光の光路中に、試料面
への入射直線偏光の偏光方位を初期状態で入射面に対し
て+45°もしくは−45°となるように直線偏光素子
を配置し、さらにこの直線偏光素子の方位を±45°か
らθ°だけ回転させる方位制御機構を設け、試料面から
の反射光の光路中に、振幅δ_0、変調角周波数ωなる
位相変調素子をその遅延軸方位が入射面に対して+45
°もしくは−45°となるよう配置するとともに、その
位相変調素子の出射側に、透過軸が入射面に対して0°
もしくは90°となるように検光子を配置し、さらにそ
の検光子の出射側に光を光電変換するための光検出器を
配置し、その光検出器の出力信号のω成分、2ω成分お
よび直流成分をそれぞれ独立して取出すための信号成分
分離回路を設け、前記2ω成分が零となるように直線偏
光素子の偏光方位を回転させてそのときの±45°から
の回転角θで偏光方位を固定し、かつその状態でω成分
が最大となるように入射角ψ_0を制御して、そのとき
の回転角θおよび入射角ψ_0から試料面の屈折率およ
び/または試料面の薄膜の厚さを求めるようにしたこと
を特徴とするエリプソメータ。
(1) In an ellipsometer that makes linearly polarized light incident on the sample surface and measures values related to the sample surface from the polarization state of the reflected light, an incident angle control mechanism is provided to control the incident angle ψ_0 of the incident light on the sample surface, and A linear polarizing element is placed in the optical path of the incident light on the sample surface so that the polarization direction of the linearly polarized light incident on the sample surface is +45° or -45° with respect to the incident plane in the initial state, and An azimuth control mechanism that rotates the azimuth of the polarizing element by θ° from ±45° is provided, and a phase modulation element with an amplitude δ_0 and a modulation angular frequency ω is placed in the optical path of the reflected light from the sample surface so that its delay axis orientation is the incident plane. +45 against
or -45°, and the transmission axis is 0° with respect to the incident plane on the output side of the phase modulation element.
Alternatively, an analyzer is arranged so that the angle is 90°, and a photodetector for photoelectric conversion of the light is arranged on the output side of the analyzer, and the ω component, 2ω component, and DC component of the output signal of the photodetector are arranged. A signal component separation circuit is provided to extract each component independently, and the polarization direction of the linear polarization element is rotated so that the 2ω component becomes zero, and the polarization direction is adjusted at a rotation angle θ from ±45° at that time. The angle of incidence ψ_0 is fixed and controlled so that the ω component is maximized in that state, and the refractive index of the sample surface and/or the thickness of the thin film on the sample surface are calculated from the rotation angle θ and the incident angle ψ_0 at that time. An ellipsometer characterized by the following features.
(2)直線偏光を試料面に入射せしめてその反射光の偏
光状態から試料面に関する値を測定するエリプソメータ
において、 試料面への入射光の入射角ψ_0を制御する入射角制御
機構を設け、かつ試料面への入射光の光路中に、直線偏
光の偏光方位を入射面に対し0°もしくは90°となる
ように直線偏光素子を配置するとともに、その直線偏光
素子と試料面との間に振幅δ_0、変調角周波数ωなる
位相変調素子をその遅延軸方位が入射面に対して+45
°もしくは−45°となるように配置し、試料面からの
反射光の光路中に、透過軸方位が初期状態で入射面に対
して+45°もしくは−45°となるように検光子を配
置し、その検光子には±45°の方位からθ°だけ回転
させる方位制御機構を設け、さらにその検光子の出射側
に光を光電変換するための光検出器を配置し、その光検
出器の出力信号のω成分、2ω成分および直流成分をそ
れぞれ独立して取出すための信号成分分離回路を設け、
さらに前記2ω成分が零となるように検光子の方位を回
転させてそのときの±45°からの回転角θで偏光方位
を固定し、かつそ状態でω成分が最大となるように入射
角ψ_0を制御して、そのときの回転角θおよび入射角
ψ_0試料面の屈折率および/または試料面の薄膜の厚
さを求めるようにしたことを特徴とするエリプソメータ
(2) In an ellipsometer that makes linearly polarized light incident on the sample surface and measures values related to the sample surface from the polarization state of the reflected light, an incident angle control mechanism is provided to control the incident angle ψ_0 of the incident light on the sample surface, and A linear polarizing element is arranged in the optical path of the incident light to the sample surface so that the polarization direction of the linearly polarized light is 0° or 90° with respect to the incident plane, and the amplitude is set between the linear polarizing element and the sample surface. A phase modulation element with δ_0 and modulation angular frequency ω whose delay axis direction is +45 with respect to the incident plane.
In the optical path of the reflected light from the sample surface, place the analyzer so that the transmission axis direction is initially +45° or -45° with respect to the incident plane. The analyzer is equipped with an orientation control mechanism that rotates it by θ° from the ±45° orientation, and a photodetector for photoelectric conversion of light is placed on the output side of the analyzer. A signal component separation circuit is provided to independently extract the ω component, 2ω component, and DC component of the output signal,
Furthermore, rotate the orientation of the analyzer so that the 2ω component becomes zero, fix the polarization orientation at the rotation angle θ from ±45°, and then adjust the incident angle so that the ω component becomes maximum. An ellipsometer characterized in that the refractive index of the sample surface and/or the thickness of a thin film on the sample surface are determined by controlling ψ_0 and the rotation angle θ and the incident angle ψ_0 at that time.
JP31566086A 1986-12-29 1986-12-29 Ellipsometer Expired - Lifetime JPH0812148B2 (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100378445C (en) * 2004-12-28 2008-04-02 中国科学院上海光学精密机械研究所 Intelligent synthesized measuring apparatus for half wave voltage of extinction ratio in crystal, and phase delay of wave plate
WO2009048003A1 (en) * 2007-10-12 2009-04-16 Nikon Corporation Surface examining device

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