JPWO2020013517A5 - - Google Patents

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本発明は、垂直入射エリプソメータおよびこれを用いた試験片の光物性の測定方法に関する。より具体的には、本発明は、試験片によって反射した光の偏光状態の変化を測定および分析して試験片の光物性を測定するために使用される垂直入射エリプソメータおよびこれを用いた試験片の光物性の測定方法に関する。 The present invention relates to a vertical incidence ellipsometer and a method for measuring optical properties of a test piece using the same. More specifically, the present invention relates to a normal incidence ellipsometer used to measure and analyze changes in the polarization state of light reflected by a test piece to measure optical properties of the test piece, and a test piece using the same. relates to a method for measuring optical physical properties.

半導体素子、平板ディスプレイ、薄膜型太陽電池、ナノインプリント、ナノバイオ、薄膜光学などに関する様々な産業分野が急激に発展している中、薄膜の厚さはますます小さくなって、数個の原子層水準までに逹しており、ナノパターンの形状は、既存の二次元構造から三次元構造に複雑化している傾向にある。これに伴い、かかる製品の製造工程ステップでナノ試験片を損傷しないように非接触式になるとともに、薄膜の厚さ、ナノパターンの形状などのナノスケールの試験片の形状および物性をより正確に分析するための工程用測定技術へのニーズがより高まっている。かかる非接触式ナノスケール測定技術のうち、エリプソメータとこれを用いた方法が、光源、光検出器、コンピュータなどの発展に伴って広く用いられている。 With the rapid development of various industrial fields such as semiconductor devices, flat panel displays, thin-film solar cells, nano-imprint, nano-bio, and thin-film optics, the thickness of thin films is getting smaller and smaller, down to the level of several atomic layers. However, the shape of nanopatterns tends to be complicated from the existing two-dimensional structure to the three-dimensional structure. Along with this, the manufacturing process steps of such products are non-contact so as not to damage the nanospecimens, and the shape and physical properties of the nanoscale specimens, such as thin film thickness, nanopattern shape, etc., can be more accurately determined. There is a growing need for process metrology for analysis. Among such non-contact nanoscale measurement techniques, ellipsometers and methods using them are widely used with the development of light sources, photodetectors, computers, and the like.

入射角を基準とした時に、エリプソメータの種類は、垂直入射方式と傾斜入射方式とに分けられる。垂直入射方式は、試験片の面に垂直に(すなわち、入射角が0度)測定ビームを入射させた時に、試験片によって垂直に反射した光の偏光状態の変化を測定する方式であり、傾斜入射方式は、測定ビームの入射角が0度~90度の範囲内で任意に選択される値を有するようにして測定する方式である。このうち、垂直入射方式は、測定装置の大きさをより小さくすることができ、試験片でより小さな面積の内部地域を測定できるように測定ビームを小さくすることができるという利点がある。米国特許登録第7355708号、米国特許登録第7889340号などの様々な特許文献やその他の様々な論文にかかる垂直入射方式のエリプソメータの基本的な構成および原理について詳細に開示されている。 Based on the angle of incidence, ellipsometers are classified into vertical incidence type and oblique incidence type. The vertical incidence method is a method of measuring the change in the polarization state of the light reflected vertically by the test piece when the measurement beam is incident on the surface of the test piece perpendicularly (that is, the incident angle is 0 degrees). The incident method is a method in which the incident angle of the measurement beam is arbitrarily selected within the range of 0 to 90 degrees for measurement. Among them, the vertical incidence method has the advantage that the size of the measuring apparatus can be made smaller and the measuring beam can be made small so that a smaller area of the internal region of the test piece can be measured. Various patent documents such as US Pat. No. 7,355,708 and US Pat. No. 7,889,340 and various other papers disclose in detail the basic configuration and principle of the normal incidence type ellipsometer.

[垂直入射エリプソメータの基本構成]
光素子‐回転型エリプソメータは、基本的に、光源(Light Source;LS)、偏光状態発生器(Polarization State Generator;PSG)、試験片(Sample;SP)、偏光状態分析器(Polarization State Analyzer)、検出光学系(Detection Optic System;DOS)、光検出素子(Photodetector Element;PDE)を含むことができるが、各部について簡単に説明すると以下のとおりである。光源は、ランプなどから放射した光を光学系を使用して平行ビームにする役割をする。偏光状態発生器は、光源から放射した平行ビームを特定の偏光状態にする役割をする偏光光学系である。試験片は、変調した入射平行ビームの進行経路上に配置される。偏光状態分析器は、試験片から反射した反射平行ビームの進行経路上に前記反射平行ビームの偏光状態を分析するための役割をする偏光光学系である。光検出素子は、偏光状態分析器を通過した指定された波長帯域の反射平行ビームの光量を電圧または電流のような値として測定する役割をし、電算機器(Processor)を用いて、このように測定された電圧または電流値から前記試験片の光物性値を計算して格納または画面に表示することができる。検出光学系は、偏光状態分析器(PSA)と光検出素子(PDE)との間の反射平行ビーム軸線上に配置されるが、反射平行ビームの偏光状態の変化を与えることができる光学素子と同じ効果を有する仮想的偏光光学系として、光分割器(Beam Splitter)と分光器(Spectrometer)の内部に装着されている反射鏡およびグレーチング(Grating)などが含まれ得る。
[Basic Configuration of Vertical Incidence Ellipsometer]
An optical element-rotating ellipsometer basically consists of a light source (Light Source; LS), a polarization state generator (PSG), a specimen (Sample; SP), a polarization state analyzer (Polarization State Analyzer), A detection optical system (DOS) and a photodetector element (PDE) can be included, and a brief description of each part is as follows. The light source serves to collimate light emitted from a lamp or the like using an optical system. A polarization state generator is a polarizing optical system that serves to bring a collimated beam emitted from a light source into a particular polarization state. The specimen is placed on the path of travel of the modulated incident parallel beam. A polarization state analyzer is a polarization optical system that serves to analyze the polarization state of the reflected parallel beam on the traveling path of the reflected parallel beam reflected from the test piece. The photodetector functions to measure the amount of light of the reflected parallel beam of the designated wavelength band that has passed through the polarization state analyzer as a value such as voltage or current. Optical property values of the test piece can be calculated from the measured voltage or current values and stored or displayed on the screen. The detection optics are placed on the reflected parallel beam axis between the polarization state analyzer (PSA) and the photodetector element (PDE), but with an optical element capable of imparting a change in the polarization state of the reflected parallel beam. A virtual polarizing optical system having the same effect may include a beam splitter and a reflecting mirror and a grating mounted inside a spectrometer.

上述のように、偏光状態発生器または偏光状態分析器は、各々の役割を果たすように複数個の回転可能偏光光素子が適切に配置される偏光光学系の形態からなる。この際、前記回転可能偏光光素子のうち少なくとも1個以上の選択される回転可能偏光光素子は、等速で回転し、前記等速回転偏光光素子以外の残りの回転可能偏光光素子は、固定偏光光素子として測定のために予め指定された方位角に移動し、測定の時に停止されていてもよい。 As mentioned above, the polarization state generator or polarization state analyzer consists of a form of polarization optics in which a plurality of rotatable polarization optical elements are appropriately arranged to perform their respective roles. At this time, at least one selected rotatable polarized light element among the rotatable polarized light elements rotates at a constant velocity, and the remaining rotatable polarized light elements other than the constant velocity rotated polarized light elements are: As a fixed polarizing optical element, it may move to a pre-specified azimuth angle for measurement and be stopped at the time of measurement.

かかる回転可能偏光光素子の種類や配置は、エリプソメータの種類に応じて適宜異なり得、具体的には、前記回転可能偏光光素子は、線形偏光子(Linear Polarizer)と補償器(Compensator)から構成され得る。また、前記線形偏光子が前記偏光状態発生器に配置された場合には偏光子(Polarizer)と称し、前記偏光状態分析器に配置された場合には検光子(Analyzer)と区分して称する。前記補償器の場合には、前記偏光状態発生器に配置された場合には入射軸補償器と称し、前記偏光状態分析器に配置された場合には反射軸補償器と区分して称する。 The type and arrangement of the rotatable polarizing optical element may vary depending on the type of ellipsometer. Specifically, the rotatable polarizing optical element is composed of a linear polarizer and a compensator. can be Also, when the linear polarizer is arranged in the polarization state generator, it is called a polarizer, and when it is arranged in the polarization state analyzer, it is separately called an analyzer. The compensator is separately referred to as an incident axis compensator when placed in the polarization state generator, and as a reflection axis compensator when placed in the polarization state analyzer.

従来の光素子‐回転型エリプソメータは、入射角(Angle of Incidence)を基準に見ると、傾斜入射方式と垂直入射方式とに分けられる。前記入射角は、試験片の面に垂直な様々な平面のうち入射平行ビームと反射平行ビームの経路を含むものを入射面(Incident Plane)と定義し、入射面で試験片の面に垂直な軸を基準軸(Reference Axis)としたときに、入射平行ビームまたは反射平行ビームと基準軸との内角を入射角と定義しφと表記する。前記垂直入射方式は、入射角が0度である光学構造を採択した場合であり、前記傾斜入射方式は、入射角が0度ではない光学構造を採択した場合である。前記傾斜入射方式に比べて前記垂直入射方式の利点は、測定装置の大きさを小さくすることができ、試験片の上に入射されるビームの面積をより小さくすることができ、微細な面積内部の測定が可能である。 Conventional optical device-rotational ellipsometers are classified into an oblique incidence type and a vertical incidence type based on the angle of incidence. The incident angle is defined as the plane of incidence (incident plane), which includes the paths of the incident parallel beam and the reflected parallel beam among various planes perpendicular to the plane of the specimen, and the incident plane is perpendicular to the plane of the specimen. When the axis is defined as a reference axis, the internal angle between the incident parallel beam or the reflected parallel beam and the reference axis is defined as the incident angle and denoted by φ. The normal incidence method employs an optical structure with an incident angle of 0 degrees, and the oblique incidence method employs an optical structure with an incident angle other than 0 degrees. The advantages of the vertical incidence method compared to the oblique incidence method are that the size of the measuring device can be reduced, the area of the beam incident on the test piece can be reduced, and the inside of a minute area can be reduced. can be measured.

傾斜入射または垂直入射光素子‐回転型エリプソメータの原理について簡単に説明すると、以下のとおりである。傾斜入射または垂直入射光素子‐回転型エリプソメータでは、光源から放射した入射平行ビームを偏光状態発生器に入射させ、入射平行ビームは、偏光状態発生器によって統制可能な特定の偏光状態に変化し、偏光状態に変調した入射平行ビームは、試験片に照射されて試験片によって偏光状態が変化し、試験片の光物性情報を有する反射平行ビームになり、反射平行ビームは、偏光状態分析器に入射されて再度統制可能な特定の偏光状態に変化し、かかる一連の変化を経た反射平行ビームを光検出素子を使用して電圧または電流のような電気的信号として測定され、電算機器によって測定された電気的信号から最終に試験片の光物性情報を得る一連の過程が行われる。 A brief description of the principle of oblique or normal incidence optical element-rotational ellipsometer is as follows. Oblique or Normal Incidence Optical Elements—In a rotating ellipsometer, an incident parallel beam emitted from a light source is incident on a polarization state generator, which changes the incident parallel beam to a specific polarization state that can be steered by the polarization state generator, The incident parallel beam modulated to the polarization state is irradiated to the test piece, the polarization state is changed by the test piece, and becomes the reflected parallel beam having the optical property information of the test piece, and the reflected parallel beam is incident on the polarization state analyzer. and changed again to a specific controllable polarization state, and the reflected collimated beam undergoing such a series of changes was measured as an electrical signal such as voltage or current using a photodetector and measured by a computer instrument. A series of processes are performed to finally obtain the optical physical property information of the test piece from the electrical signal.

従来の垂直入射エリプソメータで偏光状態発生器および偏光状態分析器を具現するにあたり、一つの線形偏光子と一つの等速回転補償器だけ配置されて構成された単一‐補償器‐回転型垂直入射エリプソメータと一つの線形偏光子と2個の等速回転補償器だけ配置されて構成された二重補償器‐回転型垂直入射エリプソメータが開示される。 A single-compensator-rotation type vertical incidence that is configured by arranging only one linear polarizer and one constant velocity rotation compensator in implementing a polarization state generator and a polarization state analyzer in a conventional normal incidence ellipsometer A double compensator-rotational normal incidence ellipsometer is disclosed, which consists of an ellipsometer, a linear polarizer, and two constant velocity rotation compensators.

[従来の垂直入射エリプソメータの構成]
図1を参照すると、従来の垂直入射エリプソメータの一実施形態である単一補償器‐回転型垂直入射エリプソメータ10は、光源11と、光分割器12(Beam Splitter)と、線形偏光子13と、等速回転補償器14と、分光器15(Spectrometer)と、電算機器16(Processor)とを含む。
[Configuration of Conventional Vertical Incidence Ellipsometer]
Referring to FIG. 1, one embodiment of a conventional normal incidence ellipsometer, a single compensator-rotational normal incidence ellipsometer 10, includes a light source 11, a beam splitter 12, a linear polarizer 13, It includes a constant velocity rotation compensator 14, a spectrometer 15 (Spectrometer), and a computing device 16 (Processor).

図1の単一補償器‐回転型垂直入射エリプソメータ10を測定原理の基本構造の面で記述すると以下のとおりである。光源11から放射した入射平行ビームL10aは、光分割器12によって試験片1000の面に垂直方向に進行して(線形偏光子13に具現される)固定偏光子に入射される。固定偏光子に入射した入射平行ビームL10aは、固定偏光子と(等速回転補償器14に具現される)等速回転入射軸補償器を順に通過して入射平行ビームL10の偏光状態が変調し、試験片1000に入射されるL10b。試験片1000によって反射した反射平行ビームL10cは(やはり等速回転補償器14に具現される)等速回転反射軸補償器に入射され、等速回転反射軸補償器に入射した反射平行ビームL10cは、等速回転反射軸補償器と(やはり線形偏光子13に具現される)固定検光子を順に通過してまた偏光状態が変調し、光分割器12によって分光器15に入射されるL10d。分光器15に入射した反射平行ビームL10dは、各波長別に分光され、分光器15に内在している光検出素子によって電気的デジタル信号値に変換され、測定されたデジタル信号値は、電算機器16によって試験片1000の光物性の分析に使用される。 A description of the single compensator-rotational normal incidence ellipsometer 10 of FIG. 1 in terms of the basic structure of the measurement principle follows. An incident parallel beam L10a emitted from the light source 11 travels perpendicularly to the surface of the test piece 1000 by the light splitter 12 and is incident on the fixed polarizer (implemented by the linear polarizer 13). The incident parallel beam L10a incident on the fixed polarizer passes through the fixed polarizer and a uniform rotation incident axis compensator (embodied in the uniform rotation compensator 14) in order, and the polarization state of the incident parallel beam L10 is modulated. , L10b incident on the test piece 1000; The reflected parallel beam L10c reflected by the test piece 1000 is incident on a constant velocity rotation reflection axis compensator (also embodied in the constant velocity rotation compensator 14), and the reflected parallel beam L10c incident on the constant velocity rotation reflection axis compensator is , a constant velocity rotary reflection axis compensator and a fixed analyzer (also embodied in a linear polarizer 13) in sequence, and the polarization state is also modulated, and is incident on the spectrometer 15 by the light splitter 12. L10d. The reflected parallel beam L10d incident on the spectroscope 15 is split into individual wavelengths, converted into electrical digital signal values by the photodetectors in the spectroscope 15, and the measured digital signal values are sent to the computer 16. is used to analyze the optical physical properties of the test piece 1000 by.

図1の実施形態において、検出光学系は、光分割器12と、分光器15に内在した反射鏡と、グレーチング(grating)などを含む。また、図1の実施形態において、線形偏光子13は、固定偏光子だけでなく、固定検光子の役割も果たし、等速回転補償器14は、等速回転入射軸補償器だけでなく、等速回転反射軸補償器の役割を同時に果たす。したがって、傾斜入射方式に比べて測定装置の大きさを小さくすることができるという利点がある。 In the embodiment of FIG. 1, the detection optics include a light splitter 12, a reflector resident in the spectroscope 15, gratings, and the like. Also, in the embodiment of FIG. 1, the linear polarizer 13 serves not only as a fixed polarizer but also as a fixed analyzer, and the uniform rotation compensator 14 serves not only as a uniform rotation incident axis compensator, but also as Simultaneously play the role of a fast-rotating reflection axis compensator. Therefore, there is an advantage that the size of the measuring apparatus can be reduced compared to the oblique incidence method.

線形偏光子は、主に、MgF2、CaCO3、SiO2のように複屈折率(Birefringence)特性を有する結晶体をプリズム形態に加工組立して作られる。線形偏光子に入射した光の電場成分のうち線形偏光子の透過軸方向の成分は透過することができ、透過軸に垂直な成分は透過することができないため、透過した光は、線偏光状態になる。光活性(Optical Activity)のないプリズム型線形偏光子の場合には、波長の種類に応じて透過した光の線形偏光状態が影響を受けず、MgF2で作ったローション方式(Rochon Type)の線形偏光子の場合には、150~6,500nmの光帯域波長領域に対して使用することができる。 A linear polarizer is mainly manufactured by processing and assembling a crystal having a birefringence characteristic such as MgF2, CaCO3 and SiO2 into a prism shape. Of the electric field components of the light incident on the linear polarizer, the component in the direction of the transmission axis of the linear polarizer can be transmitted, and the component perpendicular to the transmission axis cannot be transmitted. become. In the case of a prism-type linear polarizer without optical activity, the linear polarization state of transmitted light is not affected by the type of wavelength, and the Rochon type linear polarized light made of MgF2 is used. In the case of light, it can be used for the optical band wavelength region from 150 to 6,500 nm.

一方、任意の偏光特性を有している光が補償器を通過する時に、補償器に入射した光の電場成分のうち速い軸(fast axis)方向に通過した成分と、これに垂直な遅い軸(slow axis)方向に通過した成分との間の位相遅延(Phase Retardation)差が90度になる、すなわち、λ/4波長板の役割を果たすように作られた場合が最も理想的である。しかし、多数の波長を使用する場合には、現実的にこのように補償器を作製することが難しいという問題がある。具体的には、多数の波長に対して実時間測定が可能な補償器が内在した分光エリプソメータを作るためには、測定波長領域に適する補償器を作らなければならないが、かかる製造が難しいという問題がある。また、各波長別に補償器の位相遅延値が異なるため、測定に使用される前に、先に校正手続き(Calibration Process)により位相遅延値を探さなければならないが、かかる校正方法が非常に複雑であるため、校正手続きの過程中に誤差が発生し得るという問題もある。 On the other hand, when light with arbitrary polarization characteristics passes through the compensator, among the electric field components of the light incident on the compensator, the component passing in the fast axis direction and the slow axis perpendicular to it It is most ideal that the phase retardation difference between the components passing in the slow axis direction is 90 degrees, that is, it is made to play the role of a λ/4 wave plate. However, when using a large number of wavelengths, there is a problem that it is practically difficult to fabricate such a compensator. Specifically, in order to create a spectroscopic ellipsometer that includes a compensator capable of real-time measurement of multiple wavelengths, it is necessary to create a compensator suitable for the measurement wavelength range, which is difficult to manufacture. There is In addition, since the phase delay value of the compensator is different for each wavelength, the phase delay value must be found through a calibration process before being used for measurement, but the calibration method is very complicated. Therefore, there is also the problem that errors can occur during the course of the calibration procedure.

図2を参照すると、従来の垂直入射エリプソメータの他の実施形態である二重補償器‐回転型垂直入射エリプソメータ20は、光源21と、光分割器22と、線形偏光子23と、第1等速回転補償器24aと、第1波長板24aw(Waveplate)と、第1等速回転中空軸モータ24amと、第2等速回転補償器24bと、第2波長板24bwと、第2等速回転中空軸モータ24bmと、分光器25と、電算機器26と、遮蔽用ブース27と、ガス供給装置28とを含む。二重補償器‐回転型垂直入射エリプソメータ20は、単一補償器‐回転型垂直入射エリプソメータ10とは異なり、測定波長領域をより広く拡大するために、第2等速回転補償器24b、第1波長板24awおよび第2波長板24bwなどをさらに備える。また、遠紫外線(deep UV)の波長領域よりも小さな波長を有する光は、測定ビームの経路にある酸素と水分などによって吸収されやすいため、これを防止するために、遮蔽用ブース27で測定光学系を遮蔽し、ガス供給装置28を用いて高純度窒素または高純度アルゴンなどのガスで測定ビーム経路を満たすパージングシステム(Purging System)をさらに備える。 Referring to FIG. 2, another embodiment of a conventional normal incidence ellipsometer, a dual compensator-rotational normal incidence ellipsometer 20, includes a light source 21, a light splitter 22, a linear polarizer 23, and a first etc. A fast rotation compensator 24a, a first wave plate 24aw (Waveplate), a first constant-velocity rotary hollow shaft motor 24am, a second constant-velocity rotation compensator 24b, a second wave plate 24bw, and a second constant-velocity rotation. A hollow shaft motor 24bm, a spectrometer 25, a computing device 26, a shielding booth 27, and a gas supply device 28 are included. Unlike the single compensator-rotational normal incidence ellipsometer 10, the double compensator-rotational normal incidence ellipsometer 20 has a second constant velocity rotation compensator 24b, a first It further includes a wave plate 24aw, a second wave plate 24bw, and the like. Light having a wavelength smaller than the wavelength region of deep UV is easily absorbed by oxygen and moisture in the path of the measurement beam. The system is shielded and further provided with a Purging System that fills the measurement beam path with a gas such as high purity nitrogen or high purity argon using a gas supply 28 .

図2の二重補償器‐回転型垂直入射エリプソメータ20を測定原理の基本構造の面で記述すると以下のとおりである。光源21から放射した入射平行ビームL20aは、光分割器22によって試験片1000の面に垂直方向に(線形偏光子23に具現される)固定偏光子に入射される。固定偏光子に入射した入射平行ビームL20aは、入射光軸相の固定偏光子、(第1等速回転補償器24aに具現される)第1等速回転入射軸補償器と(第2等速回転補償器24bに具現される)第2等速回転入射軸補償器を順に通過して入射平行ビームの偏光状態が変調し、試験片1000にL20bが入射される。試験片1000によって反射した反射平行ビームL20cは、反射光軸上の(やはり第2等速回転補償器24bに具現される)第1等速回転反射軸補償器、(やはり第1等速回転補償器24aに具現される)第2等速回転反射軸補償器と(やはり線形偏光子23に具現される)固定検光子を順に通過してまた反射平行ビームの偏光状態が変調し、光分割器22によって分光器25にL20dが入射される。分光器25に入射した反射平行ビームL20dは、各波長別に分光され、この反射平行ビームL20dは分光器25に内在している光検出素子によって電気的デジタル信号値に変換され、測定されたデジタル信号値は、電算機器26によって試験片1000の光物性の分析に使用される。 The dual compensator-rotational normal incidence ellipsometer 20 of FIG. 2 is described in terms of the basic structure of the measurement principle as follows. An incident parallel beam L20a emitted from a light source 21 is incident on a fixed polarizer (implemented by a linear polarizer 23) by a light splitter 22 in a direction perpendicular to the plane of the test piece 1000. FIG. The incident parallel beam L20a incident on the fixed polarizer is passed through the fixed polarizer of the incident optical axis phase, the first constant rotation incident axis compensator (embodied in the first constant rotation compensator 24a), and the second constant rotation incident axis compensator (second constant velocity rotation compensator 24a). The polarization state of the incident parallel beam is modulated by sequentially passing through the second uniform rotation incident axis compensator (embodied in the rotation compensator 24b), and L20b is incident on the test piece 1000. FIG. The reflected parallel beam L20c reflected by the test piece 1000 is reflected by the first constant rotation reflection axis compensator (also embodied in the second constant rotation compensator 24b) on the reflected optical axis, 24a) and through a fixed analyzer (also embodied by linear polarizer 23), the polarization state of the reflected parallel beam is modulated, and passed through the optical splitter. 22 makes L20d incident on the spectroscope 25 . The reflected parallel beam L20d incident on the spectroscope 25 is split into respective wavelengths, and the reflected parallel beam L20d is converted into an electrical digital signal value by a photodetector in the spectroscope 25, and the measured digital signal The values are used by computing equipment 26 to analyze the photophysical properties of specimen 1000 .

図2の実施形態において、線形偏光子23は、固定偏光子だけでなく、固定検光子の役割も果たす。また、図2の実施形態において、第1等速回転補償器24aと第1波長板24awは、第1等速回転入射軸補償器だけでなく、第2等速回転反射軸補償器の役割を果たし、図2の第2等速回転補償器24bと第2波長板24bwは、第2等速回転入射軸補償器だけでなく、第1等速回転反射軸補償器の役割を果たす。かかる構成によって、傾斜入射方式よりも測定装置の大きさを小さくすることができるという利点がある。 In the embodiment of FIG. 2, the linear polarizer 23 acts not only as a fixed polarizer, but also as a fixed analyzer. In addition, in the embodiment of FIG. 2, the first uniform rotation compensator 24a and the first wave plate 24aw serve not only as the first uniform rotation incident axis compensator but also as the second uniform rotation reflection axis compensator. As a result, the second constant velocity rotation compensator 24b and the second wave plate 24bw of FIG. 2 serve as not only the second constant velocity rotation incident axis compensator but also the first constant velocity rotation reflection axis compensator. With such a configuration, there is an advantage that the size of the measuring apparatus can be made smaller than that of the oblique incidence method.

しかし、二重補償器‐回転型垂直入射エリプソメータ20も、単一補償器‐回転型垂直入射エリプソメータ10と同様、補償器と波長板の波長依存性のために発生する製造および校正の複雑性の問題を依然として内包している。 However, the dual compensator-rotational normal incidence ellipsometer 20, like the single compensator-rotational normal incidence ellipsometer 10, also suffers from manufacturing and calibration complications arising from the wavelength dependence of the compensator and waveplate. still contains the problem.

まとめると、エリプソメータは、基本的に、偏光状態生成部(Polarization State Generator;PSG)および偏光状態分析部(Polarization State Analyzer;PSA)を含んでなる。従来の垂直入射エリプソメータの場合、偏光状態生成部および偏光状態分析部を具体的に実現する構成として、一つの固定線形偏光子および1または2個の等速回転補償器(compensator)を使用する。しかし、かかる補償器は、相対的位相遅延(relative phase delay)が波長に応じて異なる値を有する波長依存性があるため、装備校正が必須になり、また、複雑な校正手続きを行う過程で誤差が発生し得るという問題がある。それだけでなく、測定の信頼性の向上のために測定波長領域をより広く拡張しようとする場合、それに適する補償器を新たに開発しなければならないという問題もある。 In summary, an ellipsometer basically comprises a Polarization State Generator (PSG) and a Polarization State Analyzer (PSA). In the case of a conventional normal incidence ellipsometer, a fixed linear polarizer and one or two constant velocity rotation compensators are used as a configuration that specifically implements the polarization state generator and the polarization state analyzer. However, such a compensator is wavelength-dependent, with the relative phase delay having different values depending on the wavelength. can occur. In addition, when trying to expand the measurement wavelength range to improve the reliability of the measurement, there is also the problem that a new compensator suitable for that needs to be developed.

米国特許登録第7355708号(“Normal incidence rotating compensator ellipsometer”, 2008.04.08.)U.S. Patent No. 7355708 (“Normal incidence rotating compensator ellipsometer”, 2008.04.08.) 米国特許登録第7889340号(“Normal-incidence ellipsometer with complementary waveplate rotating compensators “, 2011.02.15.)US Patent No. 7889340 (“Normal-incidence ellipsometer with complementary waveplate rotating compensators “, 2011.02.15.)

1. R.M.A. Azzam, "PIE: Perpendicular-Incidence Ellipsometry - Application to the Determination of the Optical Properties of Uniaxial and Biaxial Absorbing Crystals," Opt. Commun. 19, 122 (1976).1. R.M.A. Azzam, "PIE: Perpendicular-Incidence Ellipsometry - Application to the Determination of the Optical Properties of Uniaxial and Biaxial Absorbing Crystals," Opt. Commun. 19, 122 (1976). 2. R.M.A. Azzam, "NIRSE: Normal-Incidence Rotating-Sample Ellipsometer," Opt. Commun. 20, 405 (1977).2. R.M.A. Azzam, "NIRSE: Normal-Incidence Rotating-Sample Ellipsometer," Opt. Commun. 20, 405 (1977). 3. Y. J. Cho, et. al., "Universal Evaluations and Expressions of Measuring Uncertainty for Rotating-Element Spectroscopic Ellipsometers," Opt. Express 23, 15481 (2015).3. Y. J. Cho, et. al., "Universal Evaluations and Expressions of Measuring Uncertainty for Rotating-Element Spectroscopic Ellipsometers," Opt. Express 23, 15481 (2015).

したがって、本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決するために導き出されたものであり、本発明は、波長依存性がある補償器の代わりに波長依存性がない線形偏光子を使用することで、装備校正手続きを簡素化できるようにし、且つ測定波長領域の拡張を容易に実現できるようにする、垂直入射エリプソメータおよびこれを用いた試験片の光物性の測定方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been devised to solve the problems of the prior art as described above, and the present invention employs a linear polarizer having no wavelength dependence instead of a compensator having wavelength dependence. To provide a vertical incidence ellipsometer and a method for measuring optical physical properties of a test piece using the same, which simplifies equipment calibration procedures and facilitates extension of the measurement wavelength range. With the goal.

上述のような目的を達成するための本発明の垂直入射エリプソメータは、視準光学系を含み、試験片に向かって入射平行ビームを放射する光源と、前記光源と前記試験片との間に配置され、前記入射平行ビームの一部を前記試験片の面に対して垂直方向に向かうようにする光分割器と、前記光分割器と前記試験片との間に配置され、予め設定された方位角で固定され、前記入射平行ビームを予め設定された方向の線偏光成分のみ通過させる固定偏光子と、前記固定偏光子と前記試験片との間に配置され、等速で回転して前記入射平行ビームの偏光状態を等速回転振動数に応じて規則的に変調させる等速回転偏光子と、前記試験片から反射した反射平行ビームの入射を受けて分光放射束の露光量を測定する光検出素子と、前記試験片と前記光検出素子との間に配置され、等速で回転して前記反射平行ビームの偏光状態を等速回転振動数に応じて規則的に変調させる等速回転検光子と、前記等速回転検光子と前記光検出素子との間に配置され、予め設定された方位角で固定され、前記反射平行ビームの予め設定された方向の線偏光成分のみ通過させる固定検光子と、前記固定偏光子および前記固定検光子の方位角、前記等速回転偏光子および前記等速回転検光子の等速回転角速度を制御し、前記光検出素子で測定された分光放射束の露光量値を分析して前記試験片の光物性を算出する電算機器とを含み、前記固定偏光子および前記固定検光子が一つの線形偏光子として一体になり、前記等速回転偏光子および前記等速回転検光子が一つの等速回転線形偏光子として一体になることができる。 The normal incidence ellipsometer of the present invention for achieving the objects as set forth above includes a collimating optical system, a light source emitting an incident collimated beam toward a test piece, and a light source positioned between the light source and the test piece. a light splitter for directing a portion of the incident parallel beam in a direction perpendicular to the plane of the test piece; and a preset orientation disposed between the light splitter and the test piece. a fixed polarizer fixed at an angle and allowing the incident parallel beam to pass only a linearly polarized component in a preset direction; A constant velocity rotation polarizer that regularly modulates the polarization state of the parallel beam according to the constant rotation frequency, and light that receives the reflected parallel beam reflected from the test piece and measures the exposure amount of the spectral radiant flux . a constant-velocity rotation detector disposed between the test piece and the photodetector, rotating at a constant velocity to regularly modulate the polarization state of the reflected parallel beam in accordance with the constant-velocity rotation frequency; A fixed detector disposed between photons, the constant velocity rotating analyzer, and the photodetector, fixed at a preset azimuth angle, and allowing only a linearly polarized component of the reflected parallel beam in a preset direction to pass through. Photons, the azimuth angles of the fixed polarizer and the fixed analyzer, and the uniform rotation angular velocities of the uniform rotation polarizer and the uniform rotation analyzer are controlled, and the spectral radiant flux measured by the photodetector is measured. a computing device for analyzing the exposure value and calculating the optical properties of the test piece, wherein the fixed polarizer and the fixed analyzer are integrated as one linear polarizer, and the constant velocity rotating polarizer and the A constant rotation analyzer can be integrated as one constant rotation linear polarizer.

この際、前記垂直入射エリプソメータは、前記光分割器、前記固定偏光子および前記固定検光子が一つの光分割線形偏光子として一体になることができる。また、この際、前記光分割線形偏光子は、ウォラストンプリズム(Wollaston Prism)であってもよい。 At this time, the normal incidence ellipsometer may integrate the light splitter, the fixed polarizer, and the fixed analyzer into one light splitting linear polarizer. Also, at this time, the light splitting linear polarizer may be a Wollaston prism.

また、前記光検出素子は、画素が線形または二次元平面構造で配列されたCCD、CMOSまたはフォトダイオードアレイ素子を含む分光器でそれぞれ指定された波長帯域に対する画素またはビニングされた画素から選択される少なくとも一つであってもよい。また、この際、前記光検出素子は、一つの分光器であるか、またはs‐偏光分光器およびp‐偏光分光器からなる分光器セットでそれぞれ指定された波長帯域に対する画素またはビニングされた画素から選択される少なくとも一つであってもよい。 In addition, the photodetector is selected from pixels or binned pixels for wavelength bands respectively designated by a spectroscope including CCD, CMOS, or photodiode array elements in which pixels are arranged in a linear or two-dimensional planar structure. It may be at least one. Also, at this time, the photodetector may be one spectroscope, or a set of spectroscopes consisting of an s-polarization spectroscope and a p-polarization spectroscope, each of which is a pixel or binned pixel for each designated wavelength band. may be at least one selected from

または、前記光検出素子は、前記光源が単一波長の光源装置の場合、PMTおよびフォトダイオードを含む単一点光検出器であってもよい。前記単一波長の光源装置は、ガスレーザ、レーザダイオードから選択される少なくとも一つであってもよい。 Alternatively, the photodetector element may be a single point photodetector including a PMT and a photodiode when the light source is a single wavelength light source device. The single-wavelength light source device may be at least one selected from a gas laser and a laser diode.

または、前記光検出素子は、指定された波長帯域の光を透過させる色フィルタ(color filters)と画素が二次元平面構造で配列されたCCDまたはCMOSを含むイメージング光検出器から選択される一つの画素であってもよい。 Alternatively, the photodetector is one selected from an imaging photodetector including a color filter that transmits light in a designated wavelength band and a CCD or CMOS in which pixels are arranged in a two-dimensional planar structure. It may be a pixel.

また、前記垂直入射エリプソメータは、前記固定偏光子および前記固定検光子に方位角の調節のための中空軸ステッピングモータが備えられ、前記等速回転偏光子および前記等速回転検光子の等速回転角速度の調節のための等速回転中空軸モータが備えられ得る。 In addition, the vertical incidence ellipsometer includes a hollow shaft stepping motor for adjusting the azimuth angle of the fixed polarizer and the fixed analyzer, and the constant rotation polarizer and the constant rotation analyzer are rotated at constant speed. A constant velocity rotating hollow shaft motor for angular velocity adjustment may be provided.

また、前記電算機器は、前記光検出素子から測定された光の分光放射束の露光量値から分光放射束波形に対するフーリエ係数値を計算し、前記フーリエ係数値から前記試験片のミュラー行列成分値を計算し、前記ミュラー行列成分値から前記試験片の光物性値を分析および算出する演算部と、前記固定偏光子および前記固定検光子の方位角を中空軸ステッピングモータを使用して遠隔制御し、前記等速回転偏光子および前記等速回転検光子の等速回転角速度を等速回転中空軸モータを使用して遠隔制御する制御部と、前記分光放射束の露光量値である測定値、前記フーリエ係数値および前記ミュラー行列成分値である計算値、前記試験片の光物性値である分析値を格納する記憶部と、前記測定値、前記計算値、前記分析値を出力する出力部とを含むことができる。 Further, the computing device calculates a Fourier coefficient value for a spectral radiant flux waveform from the exposure amount value of the spectral radiant flux of light measured from the photodetector, and calculates the Mueller matrix component value of the test piece from the Fourier coefficient value. , and a computing unit that analyzes and calculates optical property values of the test piece from the Mueller matrix component values, and a hollow shaft stepping motor that remotely controls the azimuth angles of the fixed polarizer and the fixed analyzer , a controller for remotely controlling the constant rotation angular velocities of the constant rotation polarizer and the constant rotation analyzer using a constant rotation hollow shaft motor; a storage unit for storing calculated values that are the Fourier coefficient values and the Mueller matrix component values, and analytical values that are optical physical property values of the test piece; and an output unit that outputs the measured values, the calculated values, and the analytical values. can include

また、前記光源は、キセノン(Xenon)ランプ、タングステン(Tungsten)‐ハロゲン(Halogen)ランプ、重水素(Deuterium)ランプ、レーザ駆動の光源(Laser Driven Light Source)、ガスレーザ、レーザダイオードから選択される少なくとも一つであるか、またはこれらから放射した光を光ファイバを通じて伝達することができる。 Further, the light source is at least selected from a Xenon lamp, a Tungsten-Halogen lamp, a Deuterium lamp, a Laser Driven Light Source, a gas laser, and a laser diode. One or the light emitted from these can be transmitted through an optical fiber.

また、前記垂直入射エリプソメータは、光経路を外部大気と遮蔽する遮蔽用ブースと、前記遮蔽用ブースに連結されて不活性ガスを供給するガス供給装置とを含むことができる。この際、前記不活性ガスは、窒素ガスまたはアルゴンガスであってもよい。 Also, the normal incidence ellipsometer may include a shielding booth for shielding the light path from the outside atmosphere, and a gas supply device connected to the shielding booth for supplying an inert gas. At this time, the inert gas may be nitrogen gas or argon gas.

また、前記垂直入射エリプソメータは、前記等速回転偏光子と前記試験片との間に配置され、前記試験片の局所領域に焦点が結ばれるように前記入射平行ビームを収束させる焦点光学系を含むことができる。この際、前記焦点光学系は、光帯域波長に対する色収差補正のために、少なくとも一つの鏡、少なくとも一つのレンズ、または少なくとも一つの鏡および少なくとも一つのレンズのセットから選択される一つであってもよい。また、この際、前記焦点光学系は、透過または反射効率の向上のために、前記鏡または前記レンズに単一薄膜または多層薄膜がコーティングされ得る。 The normal incidence ellipsometer also includes focusing optics disposed between the constant velocity rotating polarizer and the specimen for converging the incident parallel beam to focus on a localized region of the specimen. be able to. At this time, the focusing optical system is one selected from at least one mirror, at least one lens, or a set of at least one mirror and at least one lens for chromatic aberration correction for the wavelength of the light band. good too. Also, at this time, the focusing optical system may be coated with a single thin film or multiple thin films on the mirror or the lens in order to improve transmission or reflection efficiency.

また、前記垂直入射エリプソメータは、複数個の前記試験片を収容および保管する試験片保管容器、前記試験片保管容器から複数個の前記試験片を予め設定された規則に従って順に一つずつ取り出して前記垂直入射エリプソメータの試験片保持具に配置し、測定完了した前記試験片を前記試験片保管容器の最初の位置に復帰させる試験片搬送装置を含む試験片搬送システムを含むことができる。 The normal incidence ellipsometer further comprises a test strip storage container for storing and storing a plurality of the test strips, and taking out the plurality of test strips from the test strip storage container one by one according to a preset rule. A test strip transport system may be included that includes a test strip transport device that is placed in a test strip holder of a normal incidence ellipsometer and returns the test strip after measurement to an initial position in the test strip storage container.

また、前記垂直入射エリプソメータは、試験片を位置合わせする光を放射する整列用レーザ、前記整列用レーザから放射する光を前記試験片に予め設定された方向に入射させる整列用光学系、前記試験片に入射されて反射した光を受光して前記試験片の位置を判別する整列用光検出器を含む試験片整列システムを含むことができる。 In addition, the vertical incidence ellipsometer includes an alignment laser that emits light for aligning the test piece, an alignment optical system that causes the light emitted from the alignment laser to enter the test piece in a preset direction, and the test piece. A test strip alignment system may be included that includes an alignment photodetector that receives light reflected from and reflected by the strip to determine the position of the test strip.

また、前記垂直入射エリプソメータは、測定環境の振動による影響を防止するために、前記垂直入射エリプソメータの下部に備えられる防振システムを含むことができる。 In addition, the normal incidence ellipsometer may include an anti-vibration system provided under the normal incidence ellipsometer to prevent the influence of vibration of the measurement environment.

また、前記垂直入射エリプソメータは、温度変化による測定誤差発生を防止するために、測定環境温度を維持するか冷却する恒温装置または冷却装置を含むことができる。 In addition, the normal incidence ellipsometer may include a constant temperature device or a cooling device for maintaining or cooling the temperature of the environment for measurement in order to prevent measurement errors from occurring due to temperature changes.

また、本発明の垂直入射エリプソメータを用いた試験片の光物性の測定方法は、上述のような垂直入射エリプソメータを用いた試験片の光物性の測定方法であって、光物性を測定しようとする前記試験片が前記垂直入射エリプソメータの試験片保持具に装着および整列される試験片装着ステップと、前記電算機器によって、前記固定偏光子および前記固定検光子の方位角値が選択される方位角選択ステップと、前記電算機器によって、前記固定偏光子および前記固定検光子を設定方位角に移動させる方位角移動ステップと、前記光検出素子によって、前記等速回転偏光子および前記等速回転検光子の方位角の変化による前記反射平行ビームの分光放射束の露光量値が測定される露光量測定ステップと、前記電算機器によって、前記分光放射束の露光量値から分光放射束波形のフーリエ係数値が計算されるフーリエ係数計算ステップと、前記電算機器によって、前記フーリエ係数値から前記試験片のミュラー行列成分値が計算されるミュラー行列成分計算ステップと、前記電算機器によって、前記ミュラー行列成分値から前記試験片の光物性値が分析および算出される試験片光物性分析ステップとを含むことができる。 A method for measuring optical properties of a test piece using a normal incidence ellipsometer according to the present invention is a method for measuring optical properties of a test piece using a vertical incidence ellipsometer as described above. a test strip mounting step in which the test strip is mounted and aligned in a test strip holder of the normal incidence ellipsometer; an azimuth movement step of moving the fixed polarizer and the fixed analyzer to a set azimuth angle by the computer; an exposure measurement step of measuring an exposure value of the spectral radiant flux of the reflected parallel beam due to a change in azimuth; a Mueller matrix component calculation step in which Mueller matrix component values of the specimen are calculated from the Fourier coefficient values by the computing device; and a test strip photophysical property analysis step in which photophysical property values of the test strip are analyzed and calculated.

この際、前記光物性は、界面特性、薄膜厚さ、複素屈折率、ナノ形状、非等方特性、表面粗さ、組成比、結晶性から選択される少なくとも一つであってもよい。 At this time, the optical property may be at least one selected from interface property, thin film thickness, complex refractive index, nano-shape, anisotropic property, surface roughness, composition ratio, and crystallinity.

本発明によると、垂直入射エリプソメータを構成する際に、偏光状態を分析する装置として波長依存性がない線形偏光子を使用することで、従来、波長依存性がある補償器を使用することから発生した様々な問題を一度に解消するという大きな効果がある。より具体的には、本発明によると、波長依存性の排除によって装備校正手続きを簡素化できるようにする効果があり、これにより、複雑な装備校正手続きから発生する誤差の発生も大幅に縮小できるという効果がある。また、従来、測定波長領域を拡張するためにはそれに適する補償器を新たに開発しなければならなかったが、本発明によると、そのような必要がないため、測定波長領域の拡張がはるかに自由であるという効果がある。また、本発明によると、測定波長領域を拡張することで、最後には、垂直入射エリプソメータの測定信頼性を向上するという効果が得られる。 According to the present invention, in constructing a normal incidence ellipsometer, by using a linear polarizer with no wavelength dependence as a device for analyzing the polarization state, the It has a great effect of solving various problems at once. More specifically, the present invention has the effect of simplifying the equipment calibration procedure by eliminating the wavelength dependence, thereby greatly reducing the occurrence of errors arising from the complicated equipment calibration procedure. has the effect of Conventionally, in order to expand the measurement wavelength range, it was necessary to newly develop a compensator suitable for it. It has the effect of being free. Further, according to the present invention, by expanding the measurement wavelength region, the effect of improving the measurement reliability of the vertical incidence ellipsometer is obtained.

従来の単一補償器‐回転型垂直入射エリプソメータの概略図である。1 is a schematic diagram of a conventional single compensator-rotational normal incidence ellipsometer; FIG. 従来の二重補償器‐回転型垂直入射エリプソメータの概略図である。1 is a schematic diagram of a conventional dual compensator-rotational normal incidence ellipsometer; FIG. 本発明の第1実施形態による線形偏光子‐回転型垂直入射エリプソメータの概略図である。1 is a schematic diagram of a linear polarizer-rotational normal incidence ellipsometer according to a first embodiment of the present invention; FIG. 本発明の第2実施形態による線形偏光子‐回転型垂直入射エリプソメータの概略図である。Fig. 2 is a schematic diagram of a linear polarizer-rotational normal incidence ellipsometer according to a second embodiment of the present invention; 本発明の第3実施形態による線形偏光子‐回転型垂直入射エリプソメータの概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram of a linear polarizer-rotational normal incidence ellipsometer according to a third embodiment of the present invention; 本発明の線形偏光子‐回転型垂直入射エリプソメータを用いた試験片の光物性の測定方法を示すフローチャートである。1 is a flow chart showing a method for measuring optical physical properties of a test piece using the linear polarizer-rotational normal incidence ellipsometer of the present invention.

以下、上述のような構成を有する本発明による垂直入射エリプソメータおよびこれを用いた試験片の光物性の測定方法について添付の図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, a vertical incidence ellipsometer having the above-described structure and a method for measuring optical properties of a test piece using the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

[本発明の垂直入射エリプソメータの基本構成]
本発明では、波長依存性がある補償器の代わりに波長依存性がない線形偏光子を使用することで、上述のような従来の問題点を解消する。本発明の垂直入射エリプソメータの様々な実施形態が図3~図5に図示されており、それぞれの実施形態については以下でより詳細に説明する。本発明の垂直入射エリプソメータは、基本的に、光源と、光分割器と、固定偏光子と、等速回転偏光子と、光検出素子と、等速回転検光子と、固定検光子と、電算機器とを含む。各部について説明すると以下のとおりである。
[Basic Configuration of the Vertical Incidence Ellipsometer of the Present Invention]
The present invention overcomes the above-described conventional problems by using a wavelength-independent linear polarizer instead of a wavelength-dependent compensator. Various embodiments of normal incidence ellipsometers of the present invention are illustrated in FIGS. 3-5, and each embodiment is described in more detail below. The normal incidence ellipsometer of the present invention is basically composed of a light source, a light splitter, a fixed polarizer, a uniform rotating polarizer, a photodetector, a uniform rotating analyzer, a fixed analyzer, and a computer. including equipment. Each part will be described below.

前記光源(Light Source)は、視準光学系(Collimator)を含み、試験片に向かって入射平行ビーム(Incident Collimated Beam)を放射する役割をする。この際、前記光源は、キセノン(Xenon)ランプ、タングステン(Tungsten)‐ハロゲン(Halogen)ランプ、重水素(Deuterium)ランプ、レーザ駆動の光源(Laser Driven Light Source)、ガスレーザ、レーザダイオードから選択される少なくとも一つであるか、またはこれらから放射した光を光ファイバを通じて伝達するものであってもよい。 The Light Source includes a Collimator and serves to emit an Incident Collimated Beam towards the specimen. At this time, the light source is selected from a xenon lamp, a tungsten-halogen lamp, a deuterium lamp, a laser driven light source, a gas laser, and a laser diode. There may be at least one, or the light emitted from these may be transmitted through an optical fiber.

前記光分割器(Beam Splitter)は、前記光源と前記試験片との間に配置され、前記入射平行ビームの一部を前記試験片の面に対して垂直方向に向かうようにする役割をする。 The beam splitter is disposed between the light source and the test piece and serves to direct a portion of the incident parallel beam perpendicular to the plane of the test piece.

前記固定偏光子(Fixed Polarizer)は、前記光分割器と前記試験片との間に配置され、予め設定された方位角で固定されて、前記入射平行ビームを予め設定された方向の線偏光成分のみ通過させる役割をする。この際、前記固定偏光子の方位角は、常に固定されているものではなく、前記試験片を測定しようとする時に所望の方位角に調節できるように前記固定偏光子自体は移動可能になり、この際、測定時には固定されているため、「固定」という用語が使用されるものである。この際、前記固定偏光子の方位角の調節のために、前記固定偏光子には中空軸ステッピングモータが備えられ得る。 The fixed polarizer is disposed between the light splitter and the test piece and fixed at a preset azimuth angle to convert the incident parallel beam into a linearly polarized component in a preset direction. only pass through. At this time, the azimuth angle of the fixed polarizer is not always fixed, and the fixed polarizer itself is movable so that it can be adjusted to a desired azimuth angle when the test piece is to be measured, In this case, the term "fixed" is used because it is fixed during measurement. At this time, the fixed polarizer may be provided with a hollow shaft stepping motor to adjust the azimuth angle of the fixed polarizer.

前記等速回転偏光子(Constantly Rotating Polarizer)は、前記固定偏光子と前記試験片との間に配置され、等速で回転して前記入射平行ビームの偏光状態を等速回転振動数に応じて規則的に変調する役割をする。この際、前記等速回転偏光子の等速回転角速度の調節のために、前記等速回転偏光子には等速回転中空軸モータが備えられ得る。 The Constantly Rotating Polarizer is disposed between the fixed polarizer and the test piece and rotates at a constant speed to change the polarization state of the incident parallel beam according to the constant rotation frequency. Plays a role of regular modulation. At this time, the uniform rotation polarizer may be provided with a uniform rotation hollow shaft motor in order to adjust the uniform rotation angular velocity of the uniform rotation polarizer.

前記光検出素子は、前記試験片から反射した反射平行ビーム(Reflected Collimated Beam)の入射を受けて分光放射束(Spectral Radiant Flux)の露光量を測定する役割をする。この際、前記光検出素子は、画素が線形または二次元平面構造で配列されたCCD、CMOSまたはフォトダイオードアレイ素子を含む分光器でそれぞれ指定された波長帯域に対する画素またはビニングされた画素から選択される少なくとも一つであってもよい。また、この際、前記光検出素子は、一つの分光器であるか、またはs‐偏光分光器およびp‐偏光分光器からなる分光器セットでそれぞれ指定された波長帯域に対する画素またはビニングされた画素から選択される少なくとも一つであってもよい。 The photodetector receives the reflected collimated beam reflected from the test piece and measures the exposure of spectral radiant flux . At this time, the photodetector is selected from pixels or binned pixels for wavelength bands respectively designated by a spectroscope including CCD, CMOS, or photodiode array elements in which pixels are arranged in a linear or two-dimensional planar structure. may be at least one. Also, at this time, the photodetector may be one spectroscope, or a set of spectroscopes consisting of an s-polarization spectroscope and a p-polarization spectroscope, each of which is a pixel or binned pixel for each designated wavelength band. may be at least one selected from

より詳細に説明すると、前記光源が白色光を使用する場合、光を検出するための手段として分光器を使用することができるが、実質的に光を検出するものは、分光器内に備えられた光検出器アレイでの各画素または各ビニングされた画素群になる。すなわち、分光器自体と言うよりは、各画素または各ビニングされた画素群が一つの光検出素子の役割を果たすようになるものであると理解すれば良い。 More specifically, when the light source uses white light, a spectroscope can be used as a means for detecting light, but what actually detects the light is provided within the spectroscope. each pixel or binned group of pixels in the photodetector array. That is, rather than the spectroscope itself, it should be understood that each pixel or each binned pixel group serves as a single photodetector.

または、前記光検出素子は、前記光源が単一波長の光源装置の場合、PMTおよびフォトダイオードを含む単一点光検出器であってもよい。前記単一波長の光源装置は、ガスレーザ、レーザダイオードから選択される少なくとも一つであってもよい。または、前記光検出素子は、画素が二次元平面構造で配列されたCCDまたはCMOSを含むイメージング光検出器から選択される一つの画素であってもよい。この際、前記光源が単一波長の光源装置の場合であれば、他の部品がさらに必要ではないが、前記光源が複数波長の多波長光源装置の場合であれば、前記光源および(前記CCDまたはCMOSを含むイメージング光検出器の画素からなる)前記光検出素子の間に指定された波長帯域の光を透過させる色フィルタ(color filters)がさらに備えられ得る。 Alternatively, the photodetector element may be a single point photodetector including a PMT and a photodiode when the light source is a single wavelength light source device. The single-wavelength light source device may be at least one selected from a gas laser and a laser diode. Alternatively, the photodetector may be one pixel selected from imaging photodetectors including CCD or CMOS in which pixels are arranged in a two-dimensional planar structure. At this time, if the light source is a single-wavelength light source device, no additional components are required. Alternatively, color filters for transmitting light of a designated wavelength band may be further provided between the photodetecting elements (composed of pixels of an imaging photodetector including CMOS).

前記光検出素子は、外部トリガーが伝達される前には待機状態を維持し、外部トリガーが伝達されると測定を行うが、前記光検出素子が分光器のCCD、CMOSまたはフォトダイオードアレイのような積分型光検出器から選択される一つの画素またはビニングされた画素(pixel binning)の場合、各光検出素子別に指定された積分時間の間に露光量値を出力するか臨時に格納する方式で作動し、前記光検出素子がPMTおよびフォトダイオードを含む光検出器のような非積分型光検出器の場合、非常に短い積分時間の間の露光量値、すなわち、近似的に光の分光放射束の値を出力するか臨時に格納する方式で作動することができる。 The photodetector maintains a standby state before an external trigger is transmitted, and performs measurement when an external trigger is transmitted. In the case of one pixel or binned pixel (pixel binning) selected from an integral photodetector, a method of outputting or temporarily storing the exposure value during the integration time specified for each photodetector and the photodetector element is a non-integrating photodetector, such as a photodetector including a PMT and a photodiode, the exposure value during a very short integration time, i.e. approximately the spectrum of light It can operate by outputting the radiant flux value or by temporarily storing it.

前記等速回転検光子(Constantly Rotating Analyzer)は、前記試験片と前記光検出素子との間に配置され、等速で回転して前記反射平行ビームの偏光状態を等速回転振動数に応じて規則的に変調させる役割をする。ここで、前記等速回転検光子が上述の前記等速回転偏光子と役割が異なるため別の名称が使用されているが、上記でも説明したように、傾斜入射方式の場合には、実際にもそれぞれが別の部品で具現されるが、垂直入射方式の場合には、実質的には一つの部品で具現され得る(このようにすることで、傾斜入射方式よりも垂直入射方式のエリプソメータが装置をより小型化できるという点については前述した)。すなわち、本発明において、前記等速回転偏光子および前記等速回転検光子は、一つの等速回転線形偏光子として一体になる。 The Constantly Rotating Analyzer is disposed between the test piece and the photodetector and rotates at a constant speed to change the polarization state of the reflected parallel beam according to the constant rotation frequency. Plays a role of regular modulation. Here, a different name is used for the constant velocity rotation analyzer because the role of the constant velocity rotation analyzer is different from that of the constant velocity rotation polarizer described above. are embodied by different parts, but in the case of the vertical incidence type, they can be substantially embodied by one part (in this way, the vertical incidence type ellipsometer is more suitable than the oblique incidence type ellipsometer. The point that the device can be made more compact was mentioned above). That is, in the present invention, the constant velocity rotating polarizer and the constant velocity rotating analyzer are integrated as one constant velocity rotating linear polarizer.

前記固定検光子(Fixed Analyzer)は、前記等速回転検光子と前記光検出素子との間に配置され、予め設定された方位角で固定されて、前記反射平行ビームの予め設定された方向の線偏光成分のみ通過させる役割をする。前記固定検光子も前記固定偏光子と同様、前記固定検光子自体は移動可能になるが、測定時には固定されているため、「固定」という用語が使用される。また、前記等速回転偏光子‐前記等速回転検光子と同様、前記固定偏光子および前記固定検光子は、一つの線形偏光子として一体になる。さらには、装置をさらに小型化および集積化できるように、前記光分割器、前記固定偏光子および前記固定検光子が一つの光分割線形偏光子として一体になるようにすることもできる。この場合、前記光分割線形偏光子は、ウォラストンプリズム(Wollaston prism)からなることができる。 The Fixed Analyzer is disposed between the constant velocity rotating analyzer and the photodetector element and is fixed at a preset azimuth angle to provide a preset direction of the reflected parallel beam. It plays the role of passing only the linearly polarized light component. As with the fixed polarizer, the fixed analyzer itself can be moved, but is fixed during measurement, hence the term "fixed". Also, similar to the constant rotation polarizer-the constant rotation analyzer, the fixed polarizer and the fixed analyzer are integrated as one linear polarizer. Furthermore, the light splitter, the fixed polarizer and the fixed analyzer can be integrated as one light splitting linear polarizer so that the device can be further miniaturized and integrated. In this case, the light splitting linear polarizer may consist of a Wollaston prism.

前記電算機器(Processor)は、前記固定偏光子および前記固定検光子の方位角、前記等速回転偏光子および前記等速回転検光子の等速回転角速度を制御し、前記光検出素子で測定された分光放射束(Spectral Radiant Flux)の露光量値を分析して前記試験片の光物性を算出する役割をする。より具体的には、前記電算機器は、様々な演算を行う演算部と、上述の様々な部品の駆動を制御する制御部と、演算に必要な値を格納する記憶部と、分析結果を出力する出力部とを含む。前記演算部は、前記光検出素子から測定された光の分光放射束(Spectral Radiant Flux)の露光量値から分光放射束波形に対するフーリエ係数(Fourier Coefficient)値を計算し、前記フーリエ係数値から前記試験片のミュラー行列(Mueller Matrix)成分値を計算し、前記ミュラー行列成分値から前記試験片の光物性値を分析および算出することができる。前記制御部は、前記固定偏光子および前記固定検光子の方位角を中空軸ステッピングモータ(Hollow Shaft Stepping Motor)を使用して遠隔制御し、前記等速回転偏光子および前記等速回転検光子の等速回転角速度(Angular Velocity)を等速回転中空軸モータを使用して遠隔制御することができる。前記記憶部は、前記演算部で行う演算に必要な値、すなわち、前記光検出素子から測定された露光量値(測定値)、分光放射束波形に対するフーリエ係数値および前記試験片のミュラー行列成分値(計算値)、前記試験片の光物性値(分析値)を格納する。前記出力部は、モニタ、印刷装置などにより前記測定値、前記計算値、前記分析値を画面または印刷物など、ユーザが希望する形態に出力する。 The computer (processor) controls the azimuth angles of the fixed polarizer and the fixed analyzer, the uniform rotational angular velocities of the uniform rotational polarizer and the uniform rotational analyzer, and measures the It analyzes the exposure value of Spectral Radiant Flux to calculate the photophysical properties of the test piece. More specifically, the computing device includes a computing unit that performs various computations, a control unit that controls the driving of the various components described above, a storage unit that stores values necessary for computation, and outputs analysis results. and an output to The arithmetic unit calculates a Fourier coefficient value for a spectral radiant flux waveform from the exposure amount value of the spectral radiant flux of light measured from the photodetector, and calculates the Fourier coefficient value from the Fourier coefficient value. It is possible to calculate the Mueller Matrix component values of the test piece, and analyze and calculate the optical property values of the test piece from the Mueller Matrix component values. The control unit remotely controls the azimuth angle of the fixed polarizer and the fixed analyzer using a hollow shaft stepping motor, and controls the azimuth angles of the constant velocity rotating polarizer and the constant velocity rotating analyzer. The constant rotational angular velocity (Angular Velocity) can be remotely controlled using a constant rotational hollow shaft motor. The storage unit stores values necessary for the calculation performed by the calculation unit, that is, the exposure amount value (measurement value) measured from the photodetector, the Fourier coefficient value for the spectral radiant flux waveform, and the Mueller matrix components of the test piece. Stores the value (calculated value) and optical property value (analysis value) of the test piece. The output section outputs the measured values, the calculated values, and the analyzed values in a form desired by the user, such as a screen or printed matter, using a monitor, a printer, or the like.

さらに、本発明の垂直入射エリプソメータは、光経路を外部大気と遮蔽する遮蔽用ブースおよび前記遮蔽用ブースに連結されて窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性ガスを供給するガス供給装置をさらに含むことができる。このようにすることで、前述のように水分、酸素などによって特定の波長の光が吸収されるという問題を効果的に防止し、最後には、測定波長領域をスムーズに拡張することができる。 Further, the normal incidence ellipsometer of the present invention further includes a shielding booth for shielding the light path from the external atmosphere and a gas supply device connected to the shielding booth for supplying an inert gas such as nitrogen gas or argon gas. can be done. By doing so, it is possible to effectively prevent the problem that light of a specific wavelength is absorbed by moisture, oxygen, etc. as described above, and finally to smoothly expand the measurement wavelength range.

かかる構成からなる本発明の垂直入射エリプソメータは、図1または図2に図示された従来のエリプソメータとは異なり、等速回転補償器の代わりに等速回転線形偏光子を使用している。従来のエリプソメータで使用される補償器は、前述のように波長別に補償器の位相遅延値が変化する波長依存性を有しており、これによって複雑な校正手続きを要し、かかる校正手続きを行う間に誤差が発生するという問題があった。しかし、本発明によると、補償器自体を除去し、波長依存性がない線形偏光子を代わりに使用することで、かかる校正手続き自体を大幅に簡素化することができるようにし、それによる誤差発生の問題も最初から排除できることは言うまでもない。 The vertical incidence ellipsometer of the present invention having such a configuration differs from the conventional ellipsometer shown in FIG. 1 or FIG. 2 by using a constant velocity rotating linear polarizer instead of a constant velocity rotating compensator. The compensator used in the conventional ellipsometer has wavelength dependence in which the phase delay value of the compensator changes for each wavelength as described above, which requires a complicated calibration procedure. There was a problem that an error occurred between them. However, according to the present invention, by eliminating the compensator itself and instead using a linear polarizer with no wavelength dependence, the calibration procedure itself can be greatly simplified, resulting in error generation. It goes without saying that the problem of is also eliminated from the beginning.

具体的には、本発明の垂直入射エリプソメータで、前記線形偏光子(前記固定偏光子および前記固定検光子の役割)は、入射平行ビーム軸線上では光源と光分割器によって発生し得る偏光状態誤差を、反射平行ビーム軸線上では光分割器と検出光学系によって発生し得る偏光状態誤差を除去する役割をする。また、前記等速回転線形偏光子(前記等速回転偏光子および前記等速回転検光子の役割)は、入射平行ビームと反射平行ビームの偏光状態を等速回転振動数によって規則的に変調する役割をする。このように本発明の垂直入射エリプソメータでは、波長依存性がある偏光光素子を使用しないため、装備校正手続きが非常に簡便で装備間のマッチングが容易であり、測定信頼度の向上のために測定波長領域を光帯域に容易に拡張することができる。 Specifically, in the normal incidence ellipsometer of the present invention, the linear polarizer (the role of the fixed polarizer and the fixed analyzer) has a polarization state error that can be generated by the light source and the light splitter on the incident parallel beam axis. on the reflected parallel beam axis serves to eliminate polarization state errors that may be generated by the light splitter and detection optics. In addition, the uniform rotation linear polarizer (roles of the uniform rotation polarizer and the uniform rotation analyzer) regularly modulates the polarization states of the incident parallel beam and the reflected parallel beam by the uniform rotation frequency. play a role As described above, the vertical incidence ellipsometer of the present invention does not use a polarizing optical element that is wavelength dependent, so the equipment calibration procedure is very simple, matching between equipment is easy, and measurement reliability is improved. The wavelength range can be easily extended to the optical band.

[本発明の垂直入射エリプソメータの付加構成]
本発明の垂直入射エリプソメータは、測定正確性およびユーザ便宜性の向上のために、焦点光学系、試験片搬送システム、試験片整列システム、防振システム、恒温装置または冷却装置などの付加構成をさらに含むことができる。
[Additional Configuration of the Vertical Incidence Ellipsometer of the Present Invention]
The normal incidence ellipsometer of the present invention further includes additional features such as focusing optics, specimen transport system, specimen alignment system, anti-vibration system, constant temperature device or cooling device to improve measurement accuracy and user convenience. can contain.

前記垂直入射エリプソメータが半導体業界のような分野に使用される場合、試験片で測定しようとする領域の大きさが数十マイクロメータ程度に非常に小さいため、入射光が試験片の局所領域にスムーズに焦点を結ぶようにするために、前記焦点光学系が試験片の前経路に選択的に備えられ得る。すなわち、前記焦点光学系は、前記等速回転偏光子と前記試験片との間に配置され、前記試験片の局所領域に焦点が結ばれるように、前記入射平行ビームを収束する役割をする。具体的には、前記焦点光学系は、光帯域波長に対する色収差補正のために、少なくとも一つの鏡、少なくとも一つのレンズ、または少なくとも一つの鏡および少なくとも一つのレンズのセットから選択される一つからなることができる。この際、透過または反射効率の向上のために、前記鏡または前記レンズに単一薄膜または多層薄膜がコーティングされるようになることが好ましい。 When the normal incidence ellipsometer is used in a field such as the semiconductor industry, the size of the area to be measured on the test piece is as small as several tens of micrometers, so the incident light is applied smoothly to the local area of the test piece. The focusing optics may optionally be provided in the front path of the specimen so as to focus on the . That is, the focusing optics are placed between the constant-rotating polarizer and the specimen and serve to focus the incident parallel beam so that a localized region of the specimen is focused. Specifically, the focusing optic comprises one selected from at least one mirror, at least one lens, or a set of at least one mirror and at least one lens for chromatic aberration correction for optical band wavelengths. can become At this time, it is preferable that the mirror or the lens is coated with a single thin film or multiple thin films in order to improve transmission or reflection efficiency.

一方、このように半導体産業の分野で前記垂直入射エリプソメータが使用される場合、多数のウェハ試験片を速い時間内に測定をすることが重要であり、そのために、前記試験片搬送システムが備えられ得る。具体的には、前記試験片搬送システムは、複数個の前記試験片を収容および保管する試験片保管容器と、前記試験片保管容器から複数個の前記試験片を予め設定された規則に従って順に一つずつ取り出し、前記垂直入射エリプソメータの試験片保持具に配置し、測定が完了した前記試験片を前記試験片保管容器の最初の位置に復帰させる試験片搬送装置とを含むことができる。この際、前記試験片保持具は、試験片の自由な整列および測定位置の変更がスムーズに行われるように、高さおよび左右の3自由度の平行移動、2自由度を有する勾配の調節および回転機能を含む6自由度システムからなることができる。 On the other hand, when the vertical incidence ellipsometer is used in the field of the semiconductor industry, it is important to measure a large number of wafer test pieces within a short period of time. obtain. Specifically, the test strip transport system includes a test strip storage container for storing and storing a plurality of the test strips, and a plurality of the test strips from the test strip storage container in order according to a preset rule. a test strip transporter for removing the test strips one by one, placing them in the test strip holder of the normal incidence ellipsometer, and returning the test strips after measurement to the initial position in the test strip storage container. At this time, the test piece holder is arranged so that the test piece can be freely aligned and the measurement position can be smoothly changed. It can consist of a 6 degree of freedom system including a rotation function.

また、このように速い時間内に測定する過程で試験片の整列もより正確且つ迅速に行われるようにするために、前記試験片整列システムが備えられ得る。具体的には、前記試験片整列システムは、試験片を位置合わせする光を放射する整列用レーザと、前記レーザから放射する光を前記試験片に予め設定された方向に入射させる整列用光学系と、前記試験片に入射して反射した光を受光し、前記試験片の位置を判別する整列用光検出器とを含むことができる。 In addition, the test strip alignment system may be provided to more accurately and quickly align the test strips during the measurement process in such a short time. Specifically, the test piece alignment system includes an alignment laser that emits light for aligning the test piece, and an alignment optical system that causes the light emitted from the laser to be incident on the test piece in a preset direction. and an alignment photodetector that receives the light incident on and reflected from the test piece and determines the position of the test piece.

さらに、測定環境の振動による影響を防止するように、前記防振システムが前記垂直入射エリプソメータの下部に備えられ得る。また、温度の変化による測定誤差の発生を防止するように、前記光源、前記偏光光素子、前記試験片、および前記光検出素子に前記恒温装置が備えられて測定環境の温度を維持するか、または前記光検出素子に前記冷却装置が備えられて冷却するようにすることが好ましい。 Furthermore, the anti-vibration system can be provided at the bottom of the normal incidence ellipsometer so as to prevent the influence of vibrations of the measurement environment. Further, the light source, the polarizing light element, the test piece, and the light detection element are provided with the constant temperature device to maintain the temperature of the measurement environment so as to prevent the occurrence of measurement errors due to temperature changes, Alternatively, it is preferable that the photodetector is provided with the cooling device for cooling.

[本発明の垂直入射エリプソメータの様々な実施形態]
図3は本発明の第1実施形態による線形偏光子‐回転型垂直入射エリプソメータの概略図を図示している。本発明の第1実施形態の線形偏光子‐回転型垂直入射エリプソメータ100は、光源101と、光分割器102と、線形偏光子103と、中空軸ステッピングモータ103mと、等速回転線形偏光子104と、等速回転中空軸モータ104mと、光検出素子105と、電算機器106とを含む。第1実施形態において、基本構成の説明での前記線形偏光子103は、前記固定偏光子および前記固定検光子の役割をすべて果たすようになり、前記等速回転線形偏光子104は、前記等速回転偏光子および前記等速回転検光子の役割をすべて果たすようになる。
Various Embodiments of the Normal Incidence Ellipsometer of the Present Invention
FIG. 3 illustrates a schematic diagram of a linear polarizer-rotational normal incidence ellipsometer according to a first embodiment of the present invention. The linear polarizer-rotating normal incidence ellipsometer 100 of the first embodiment of the present invention includes a light source 101, a light splitter 102, a linear polarizer 103, a hollow shaft stepping motor 103m, and a constant velocity rotating linear polarizer 104. , a uniform rotary hollow shaft motor 104m, a photodetector 105, and a computing device 106. In the first embodiment, the linear polarizer 103 in the description of the basic configuration plays both roles of the fixed polarizer and the fixed analyzer, and the constant velocity rotating linear polarizer 104 is the constant velocity It functions as both a rotating polarizer and the uniform rotating analyzer.

さらに、第1実施形態の垂直入射エリプソメータ100は、前述のように、測定波長領域拡張のための遮蔽用ブース107と、ガス供給装置108とを含むことができ、また、試験片1000の局所領域にスムーズに焦点を合わせるようにする焦点光学系109を含むことができる。 Furthermore, the normal incidence ellipsometer 100 of the first embodiment can include a shielding booth 107 for extending the measurement wavelength range and a gas supply device 108, as described above, and can also Focusing optics 109 may be included to provide smooth focusing on the .

図4は本発明の第2実施形態による線形偏光子‐回転型垂直入射エリプソメータの概略図を図示している。本発明の第2実施形態の線形偏光子‐回転型垂直入射エリプソメータ200は、光源201と、光分割線形偏光子203と、等速回転線形偏光子204と、等速回転中空軸モータ204mと、光検出素子205と、電算機器206とを含む。第2実施形態において、前記光分割線形偏光子203は、基本構成の説明での前記光分割器、前記固定偏光子および前記固定検光子の役割をすべて果たすようになることで装備をさらに小型化および集積化することができる。 FIG. 4 illustrates a schematic diagram of a linear polarizer-rotational normal incidence ellipsometer according to a second embodiment of the invention. The linear polarizer-rotating normal incidence ellipsometer 200 of the second embodiment of the present invention includes a light source 201, a light splitting linear polarizer 203, a constant velocity rotating linear polarizer 204, a constant velocity rotating hollow shaft motor 204m, It includes a photodetector 205 and a computing device 206 . In the second embodiment, the light splitting linear polarizer 203 serves as the light splitter, the fixed polarizer, and the fixed analyzer in the description of the basic configuration, thereby further miniaturizing the equipment. and can be integrated.

図4には遮蔽用ブース、ガス供給装置、焦点光学系などが図示されていないが、図4の第2実施形態(および以下で説明する図5の第3実施形態)にもかかる構成をさらに備えることが可能であることはいうまでもない。 Although FIG. 4 does not show the shielding booth, gas supply, focusing optics, etc., the second embodiment of FIG. It goes without saying that it is possible to prepare

図5は本発明の第3実施形態による線形偏光子‐回転型垂直入射エリプソメータの概略図を図示している。本発明の第3実施形態の線形偏光子‐回転型垂直入射エリプソメータ300は、光源301と、光分割器302と、光分割線形偏光子303と、等速回転線形偏光子304と、等速回転中空軸モータ304mと、s‐偏光光検出素子305sと、p‐偏光光検出素子305pと、電算機器306とを含む。第3実施形態において、前記s‐偏光光検出素子305sおよび前記p‐偏光光検出素子305pが基本構成の説明での前記光検出素子の役割を果たすようになる。一方、第3実施形態において、前記光分割線形偏光子303は、基本構成の説明での前記光分割器、前記固定偏光子および前記固定検光子の役割をすべて果たすようになる。この際、前記光分割器302は、図5から分かるように、前記光源301から放射する光を試験片1000の方に向かう光経路を形成するためにさらに備えられるものである。 FIG. 5 illustrates a schematic diagram of a linear polarizer-rotational normal incidence ellipsometer according to a third embodiment of the invention. The linear polarizer-rotating normal incidence ellipsometer 300 of the third embodiment of the present invention comprises a light source 301, a light splitter 302, a light splitting linear polarizer 303, a constant rotating linear polarizer 304, and a constant rotating It includes a hollow shaft motor 304m, an s-polarized light detector 305s, a p-polarized light detector 305p, and a computing device 306. In the third embodiment, the s-polarization photodetector 305s and the p-polarization photodetector 305p serve as the photodetectors in the description of the basic configuration. On the other hand, in the third embodiment, the light splitting linear polarizer 303 functions as the light splitter, the fixed polarizer, and the fixed analyzer in the description of the basic configuration. At this time, as shown in FIG. 5, the light splitter 302 is further provided to form an optical path for directing the light emitted from the light source 301 toward the test piece 1000 .

さらに、本発明の線形偏光子‐回転型垂直入射エリプソメータにおいて、偏光光素子の等速回転中空軸モータによる等速回転線形偏光子の回転は、等速回転またはステップ回転から選択される一つであってもよい。 Furthermore, in the linear polarizer-rotational vertical incidence ellipsometer of the present invention, the rotation of the uniform rotation linear polarizer by the uniform rotation hollow shaft motor of the polarized optical element is one selected from uniform rotation or step rotation. There may be.

[本発明の垂直入射エリプソメータを用いた試験片の光物性測定原理]
上述のようになる本発明の垂直入射エリプソメータを用いた試験片の光物性測定原理について詳細に説明すると以下のとおりである。本発明の垂直入射エリプソメータで使用される固定偏光子、等速回転偏光子、等速回転検光子および固定検光子に対するそれぞれの方位角は、固定偏光子で線形偏光子の透過軸、等速回転偏光子で線形偏光子の透過軸、等速回転検光子で線形偏光子の透過軸、固定検光子で線形偏光子の透過軸の位置を任意に選定された基準軸の位置を基準として、それぞれ

Figure 2020013517000001
[Principle of measurement of optical physical properties of test piece using vertical incidence ellipsometer of the present invention]
The principle of optical physical property measurement of a test piece using the vertical incidence ellipsometer of the present invention as described above will be described in detail below. The azimuth angles for the fixed polarizer, the constant rotation polarizer, the constant rotation analyzer, and the fixed analyzer used in the normal incidence ellipsometer of the present invention are the transmission axis of the linear polarizer with the fixed polarizer, the constant rotation The positions of the transmission axis of the linear polarizer with the polarizer, the transmission axis of the linear polarizer with the constant velocity rotating analyzer, and the transmission axis of the linear polarizer with the fixed analyzer are each determined based on the position of the arbitrarily selected reference axis.
Figure 2020013517000001

Figure 2020013517000002
Figure 2020013517000002

Figure 2020013517000003
Figure 2020013517000003

したがって、誤謬のない理想的な前記線形偏光子‐回転型垂直入射エリプソメータにおいて時間tである時に光検出素子によって測定される準単色波長(Polychromatic Wavelength)での分光放射束の値は、以下の一般的な波形に対する式で表すことができる。

Figure 2020013517000004
Therefore, the value of the spectral radiant flux at the polychromatic wavelength measured by the photodetector at time t in the error-free ideal linear polarizer-rotating normal incidence ellipsometer is given by the following general can be expressed as an equation for a typical waveform.
Figure 2020013517000004

Figure 2020013517000005
Figure 2020013517000005

前記線形偏光子‐回転型垂直入射エリプソメータでは、光検出素子を用いて分光放射束波形のフーリエ係数を正確に測定することは非常に重要である。最先端の実時間分光エリプソメータでは、高い精度の実時間測定のためにフーリエ係数のスペクトルをできるだけ速く収集することができるCCD(Charge coupled Device)またはPDアレイ(Photo Diode array)を光検出器として使用している。CCDまたはPDアレイの各画素または各ビニング(binning)画素群は、前記一つの光検出素子としての役割を果たしている。CCDまたはPDアレイの出力信号は、分光放射束だけでなく、積分時間に比例することから積分型光検出器と称する。 In the linear polarizer-rotating normal incidence ellipsometer, it is very important to accurately measure the Fourier coefficients of the spectral radiant flux waveform using the photodetector. State-of-the-art real-time spectroscopic ellipsometers use a CCD (Charge Coupled Device) or PD array (Photo Diode array) as a photodetector that can collect the spectrum of Fourier coefficients as quickly as possible for highly accurate real-time measurements. is doing. Each pixel or each binning pixel group of the CCD or PD array serves as the one photodetection element. The output signal of a CCD or PD array is called an integrating photodetector because it is proportional not only to the spectral radiant flux but also to the integration time.

CCDまたはPDアレイのデータ測定過程は、フレーム取得とフレーム読み込み過程とに分けることができ、測定周期、すなわち、等速で回転する等速回転光素子システムでは、等速回転角速度による1回転当たり、すなわち、等速回転角速度に対する

Figure 2020013517000006
The data measurement process of CCD or PD array can be divided into frame acquisition and frame reading process. That is, for constant rotational angular velocity
Figure 2020013517000006

式(2)と式(3)から測定された露光量の式は、以下のような形態で誘導される。 The formula for the measured exposure dose from formulas (2) and (3) is derived in the following form.

Figure 2020013517000007
Figure 2020013517000007

Figure 2020013517000008
Figure 2020013517000008

式(4)のように測定された露光量に対して離散フーリエ変換(Discrete Fourier Transform)を適用すると、その結果は、前記のように最小二乗法によって得られた結果と同じであるが、その表現方法は、以下のようにより簡潔であるという利点がある。

Figure 2020013517000009
Applying the Discrete Fourier Transform to the measured exposure dose as in equation (4), the result is the same as that obtained by the least squares method as described above, but with the The representation method has the advantage of being more concise as follows.
Figure 2020013517000009

Figure 2020013517000010
Figure 2020013517000010

一般的なエリプソメータの構成では、光源(Light Source;LS)から放射した平行ビームが偏光状態発生器(Polarization State Generator;PSG)を通過し、試験片によって反射してから偏光状態分析器(Polarization State Analyzer;PSA)を通過して光検出素子(Photodetector Element;PDE)に入射すると、分光放射束は、電気的信号に変換される。特に、光素子‐回転型分光エリプソメータで使用される回転可能な偏光光素子(Rotatable Polarization Element)は、線形偏光子(Linear Polarizer)と補償器(Compensator)とに分けられ、これらは、光素子‐回転型分光エリプソメータの種類に応じて偏光状態発生器と偏光状態分析器にそれぞれ別々に配置される。光素子‐回転型分光エリプソメータで回転可能な偏光光素子のうち少なくとも一つの偏光光素子は、一定の各振動数で等速回転をしなければならず、それ以外の回転可能な偏光光素子は、それぞれ指定された位置に停止している。回転可能な偏光光素子の方位角は、中空軸モータによってリモートコントロールが可能であり、中空軸モータの方位角基準点、すなわち、インデックス原点(index origin)に位置した時に回転可能な偏光光素子の特性軸がそれぞれ異なる位置にあり得る。測定が正しく行われるためには、任意に定められた基準軸から回転可能な偏光光素子の特性軸の方位角の位置をそれぞれ知るべきである。既存によく知られた校正法(calibration)を使用すると、偏光光素子の特性軸の方位角の位置を前記基準軸座標系でそれぞれ探し出すことができる。したがって、式(2)を基準軸座標系に対して変換すると、以下のように与えられる。

Figure 2020013517000011
In a typical ellipsometer configuration, a collimated beam emitted from a Light Source (LS) passes through a Polarization State Generator (PSG) and is reflected by a specimen before being reflected by a Polarization State Analyzer (PSG). Analyzer (PSA) and incident on a photodetector element (PDE), the spectral radiant flux is converted into an electrical signal. In particular, the rotatable polarization element used in the optical element-rotating spectroscopic ellipsometer is divided into a linear polarizer and a compensator, which are the optical element- They are separately arranged in the polarization state generator and the polarization state analyzer according to the type of rotating spectroscopic ellipsometer. At least one polarizing optical element among the rotatable polarizing optical elements in the optical element-rotating spectroscopic ellipsometer must rotate at a constant speed at each constant frequency, and the other rotatable polarizing optical elements , are stopped at their respective designated positions. The azimuth angle of the rotatable polarized light element can be remotely controlled by the hollow shaft motor, and the rotatable polarized light element is positioned at the azimuth reference point of the hollow shaft motor, i.e., the index origin. Each characteristic axis can be at a different position. In order for the measurement to be performed correctly, the azimuthal position of the characteristic axis of the rotatable polarizing optical element from an arbitrarily defined reference axis should be known. Using an existing well-known calibration method, the azimuth position of the characteristic axis of the polarizing optical element can be found in the reference axis coordinate system, respectively. Therefore, transforming equation (2) with respect to the reference axis coordinate system gives the following.
Figure 2020013517000011

Figure 2020013517000012
Figure 2020013517000012

エリプソメータでデータ整理(data reduction)関数は、補正されたフーリエ係数から試験片の偏光エリプソメトリックパラメータを抽出するために使用するため、使用される光素子‐回転型分光エリプソメータに適したデータ整理方法を探すことが非常に重要である。ストークス(Stokes)表現によると、偏光状態発生器を通過するために入射される光波のストークスベクトルは

Figure 2020013517000013
A data reduction function in the ellipsometer is used to extract the polarization ellipsometric parameters of the specimen from the corrected Fourier coefficients, so a data reduction method suitable for the optical element-rotating spectroscopic ellipsometer used is provided. Searching is very important. According to the Stokes representation, the Stokes vector of the incident light wave to pass through the polarization state generator is
Figure 2020013517000013

準単色光波に対して光検出素子に入射される光波のストークスベクトルは、以下のように記述することができる。

Figure 2020013517000014
The Stokes vector of the light wave incident on the photodetector for the quasi-monochromatic light wave can be described as follows.
Figure 2020013517000014

Figure 2020013517000015
Figure 2020013517000015

Figure 2020013517000016
Figure 2020013517000016

Figure 2020013517000017
Figure 2020013517000017

データ整理に使用された線形方程式の総数に応じて、前記連立一次方程式の解は、固有の(Unique)または過剰決定された(Overdetermined)形態で与えられる。前記データ整理に関する式は、すべての形態の光素子‐回転型エリプソメータへの適用が可能である。 Depending on the total number of linear equations used for data reduction, solutions to the system of linear equations are given in Unique or Overdetermined form. The above data reduction equations are applicable to all forms of optical element-rotational ellipsometers.

補正されたすべてのフーリエ係数から試験片のエリプソメトリックパラメータを得ることができる一般化したデータ整理方法を紹介する。補正されたフーリエ係数の列ベクトルを

Figure 2020013517000018
We introduce a generalized data reduction method that can obtain the specimen ellipsometric parameters from all corrected Fourier coefficients. Let the column vector of corrected Fourier coefficients be
Figure 2020013517000018

したがって、光学的特性がよく知られた基準試験片を使用した測定結果または試験片なしに直線上の測定結果から各波長ごとに式(19)で

Figure 2020013517000019
の値を得ると、式(20)を使用して補正されたフーリエ係数の値から試験片のミュラー行列の成分を直接計算することが可能である。ここで強調したいことは、前記のような方法で計算されたミュラー行列成分に対するベクトルの解は、非等方性試験片の場合にも適用可能であるということである。 Therefore, from the measurement results using a reference test piece whose optical properties are well known or the measurement results on a straight line without a test piece, Equation (19) is obtained for each wavelength.
Figure 2020013517000019
Once we have the value of , it is possible to directly calculate the elements of the Mueller matrix for the specimen from the values of the corrected Fourier coefficients using equation (20). It should be emphasized here that the vector solutions for the Mueller matrix elements computed in the manner described above are also applicable to the case of anisotropic specimens.

Figure 2020013517000020
Figure 2020013517000020

上記のように光の分光放射束を測定し、試験片に対する光学的理論式を定立し、定立した理論式に対して設定された領域に対する多数の未知の媒介変数を使用して試験片のミュラー行列成分のデータを計算し、前記データに最小二乗法などを用いて最適化を行うことで、試験片で求めようとする光物性の値を推測することができる。すなわち、ミュラー行列から他の物理的な特性を分析することができる。このように本発明の実施形態による線形偏光子‐回転型垂直入射エリプソメータは、前記測定されたフーリエ係数または前記測定されたミュラー行列成分から試験片の界面特性、薄膜厚さ、複素屈折率、ナノ形状、非等方特性、表面粗さ、組成比、結晶性などの様々な物性を分析することができ、かかる分析結果を半導体素子工程用の測定装備、平板ディスプレイ工程用の測定装備、太陽光素子測定装備、薄膜光学測定装備、バイオセンサまたはガスセンサなどに活用することができる。具体的には、本発明の実施形態による線形偏光子‐回転型垂直入射エリプソメータにおいてナノパターン形状測定のように分析方法が非常に複雑な場合の物性分析方法について説明すると、以下のとおりである。先に測定しようとする試験片に対するフーリエ係数またはミュラー行列成分の測定データを得て、試験片に対する光学的理論式を定立し、定立した理論式に対して設定された領域で定められた多数の未知の媒介変数の値を使用して計算されたフーリエ係数またはミュラー行列成分のデータを得て、計算されたデータに対して未知の媒介変数に対する連続関数を作り、連続関数を測定データに最小二乗法を用いて最適化することで、試験片の物性を得ることができる。かかる場合に、本発明のエリプソメータは、前記試験片に対して測定された前記フーリエ係数または前記ミュラー行列成分の測定データから前記試験片の物性を迅速に探し出すために、高性能並列コンピュータ、RCWA(rigorous coupled‐wave analysis)アルゴリズムベースの分析ソフトウェアおよび大容量データ記憶装置から構成された大容量高速演算システムを含むことができる。 Measure the spectral radiant flux of light as described above, establish an optical theoretical formula for the test piece, and use a number of unknown parameters for the area set for the established theoretical formula to determine the Mueller By calculating the data of the matrix components and optimizing the data using the method of least squares or the like, it is possible to estimate the value of the optical physical property to be obtained for the test piece. That is, other physical properties can be analyzed from the Mueller matrix. Thus, the linear polarizer-rotating normal incidence ellipsometer according to the embodiment of the present invention can determine from the measured Fourier coefficients or the measured Mueller matrix components the interfacial properties of the specimen, thin film thickness, complex refractive index, nano Various physical properties such as shape, anisotropic properties, surface roughness, composition ratio, crystallinity, etc. can be analyzed, and the analysis results are used in measuring equipment for semiconductor device process, flat panel display process, solar light, etc. It can be used for device measurement equipment, thin film optical measurement equipment, biosensors or gas sensors. Specifically, a physical property analysis method for a very complicated analysis method such as nanopattern shape measurement in the linear polarizer-rotational vertical incidence ellipsometer according to the embodiment of the present invention will be described below. Obtain measurement data of Fourier coefficients or Mueller matrix components for the test piece to be measured first, establish an optical theoretical formula for the test piece, Obtain the data of the Fourier coefficients or Mueller matrix elements calculated using the values of the unknown parameters, make a continuous function for the unknown parameters on the calculated data, and apply the continuous function to the measured data at least two times. By optimizing using multiplication, the physical properties of the specimen can be obtained. In such a case, the ellipsometer of the present invention uses a high-performance parallel computer, RCWA ( It can include a high-capacity, high-speed computing system composed of (rigorous coupled-wave analysis) algorithm-based analysis software and mass data storage.

[本発明の垂直入射エリプソメータを用いた試験片の光物性の測定方法]
図6は本発明の線形偏光子‐回転型垂直入射エリプソメータを用いた試験片の光物性の測定方法を示すフローチャートであり、上述のような原理を用いた光物性の測定方法をまとめて説明する。本発明の垂直入射エリプソメータを用いた試験片の光物性の測定方法は、図6に図示されているように、試験片装着ステップS10と、方位角選択ステップS20と、方位角移動ステップS30と、露光量測定ステップS40と、フーリエ係数計算ステップS50と、ミュラー行列成分計算ステップS60と、試験片光物性分析ステップS70とを含むことができる。
[Method for measuring optical properties of test piece using normal incidence ellipsometer of the present invention]
FIG. 6 is a flow chart showing a method for measuring the optical properties of a test piece using the linear polarizer-rotational vertical incidence ellipsometer of the present invention. . As shown in FIG. 6, the method for measuring the optical physical properties of a test piece using a vertical incidence ellipsometer according to the present invention includes a test piece mounting step S10, an azimuth angle selection step S20, an azimuth angle movement step S30, It can include an exposure amount measurement step S40, a Fourier coefficient calculation step S50, a Mueller matrix component calculation step S60, and a specimen optical property analysis step S70.

前記試験片装着ステップS10では、光物性を測定しようとする前記試験片が前記垂直入射エリプソメータの試験片保持具に装着および整列される。前記方位角選択ステップS20では、前記電算機器によって、前記固定偏光子および前記固定検光子の方位角値が選択される。前記方位角移動ステップS30では、前記電算機器によって、前記固定偏光子および前記固定検光子を設定方位角に移動させる。前記露光量測定ステップS40では、前記光検出素子によって、前記等速回転偏光子および前記等速回転検光子の方位角の変化による前記反射平行ビームの露光量値が測定される。前記フーリエ係数計算ステップS50では、前記電算機器によって、前記露光量値から分光放射束波形のフーリエ係数値が計算される。前記ミュラー行列成分計算ステップS60では、前記電算機器によって、前記フーリエ係数値から前記試験片のミュラー行列成分値が計算される。前記試験片光物性分析ステップS70では、前記電算機器によって、前記ミュラー行列成分値から前記試験片の光物性値が分析および算出される。 In the test piece mounting step S10, the test piece whose optical properties are to be measured is mounted and aligned on the test piece holder of the normal incidence ellipsometer. In the azimuth angle selection step S20, the azimuth angle values of the fixed polarizer and the fixed analyzer are selected by the computing device. In the azimuth angle movement step S30, the computer device moves the fixed polarizer and the fixed analyzer to a set azimuth angle. In the exposure amount measurement step S40, the exposure amount value of the reflected parallel beam due to the change in the azimuth angle of the constant velocity rotation polarizer and the constant velocity rotation analyzer is measured by the photodetector. In the Fourier coefficient calculation step S50, the Fourier coefficient value of the spectral radiant flux waveform is calculated from the exposure amount value by the computer device. In the Mueller matrix component calculation step S60, the Mueller matrix component values of the test piece are calculated from the Fourier coefficient values by the computer equipment. In the test piece photophysical property analysis step S70, the computer analyzes and calculates the photophysical property values of the test piece from the Mueller matrix component values.

本発明は、上述の実施形態に限定されず、適用範囲が多様であることはいうまでもなく、請求の範囲で請求する本発明の要旨から逸脱することなく、当該本発明が属する分野において通常の知識を有する者であれば、誰でも様々な変形実施が可能であることはいうまでもない。 It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and that the scope of application is diverse. It goes without saying that anyone who has knowledge of the above can implement various modifications.

本発明によると、垂直入射エリプソメータを構成する際に、偏光状態を分析する装置として波長依存性のない線形偏光子を使用することで、従来の波長依存性のある補償器を使用することから発生した様々な問題、すなわち、複雑な装備校正手続き、これより生じる誤差発生などの問題を解消することができる。また、本発明によると、従来に比べ測定波長領域の拡張が自由であり、これによって垂直入射エリプソメータの測定信頼性を向上することができる。 According to the present invention, by using a wavelength-independent linear polarizer as the device for analyzing the polarization state in constructing a normal-incidence ellipsometer, the Various problems such as complicated equipment calibration procedures and resulting error generation can be solved. In addition, according to the present invention, the measurement wavelength range can be expanded more freely than in the prior art, thereby improving the measurement reliability of the vertical incidence ellipsometer.

10 (従来の)単一補償器‐回転型垂直入射エリプソメータ
11 光源
12 光分割器
13 線形偏光子
14 等速回転補償器
15 分光器
16 電算機器
L10a 光源で放射された入射平行ビーム
L10b 試験片に入射する入射平行ビーム
L10c 試験片によって反射した反射平行ビーム
L10d 分光器に入射する反射平行ビーム
20 (従来の)二重補償器‐回転型垂直入射エリプソメータ
21 光源
22 光分割器
23 線形偏光子
24a 第1等速回転補償器
24aw 第1波長板
24am 第1等速回転中空軸モータ
24b 第2等速回転補償器
24bw 第2波長板
24bm 第2等速回転中空軸モータ
25 分光器
26 電算機器
27 遮蔽用ブース
28 ガス供給装置
L20a 光源で放射された入射平行ビーム
L20b 試験片に入射する入射平行ビーム
L20c 試験片によって反射した反射平行ビーム
L20d 分光器に入射する反射平行ビーム
100 本発明の第1実施形態の線形偏光子‐回転型垂直入射エリプソメータ
101 光源
102 光分割器
103 線形偏光子
103m 中空軸ステッピングモータ
104 等速回転線形偏光子
104m 等速回転中空軸モータ
105 光検出素子
106 電算機器
107 遮蔽用ブース
108 ガス供給装置
109 焦点光学系
L100a 光源で放射された入射平行ビーム
L100b 試験片に入射する入射平行ビーム
L100c 試験片によって反射した反射平行ビーム
L100d 光検出素子に入射する反射平行ビーム
200 本発明の第2実施形態の線形偏光子‐回転型垂直入射エリプソメータ
201 光源
203 光分割線形偏光子
204 等速回転線形偏光子
204m 等速回転中空軸モータ
205 光検出素子
206 電算機器
L200a 光源で放射された入射平行ビーム
L200d 光検出素子に入射する反射平行ビーム
300 本発明の第3実施形態の線形偏光子‐回転型垂直入射エリプソメータ
301 光源
302 光分割器
303 光分割線形偏光子
304 等速回転線形偏光子
304m 等速回転中空軸モータ
305s s‐偏光光検出素子
305p p‐偏光光検出素子
306 電算機器
L300a 光源で放射された入射平行ビーム
L300s s‐偏光光検出素子に入射する反射平行ビーム
L300p p‐偏光光検出素子に入射する反射平行ビーム
1000 試験片

10 (Conventional) Single Compensator-Rotational Normal Incidence Ellipsometer 11 Light Source 12 Light Splitter 13 Linear Polarizer 14 Constant Velocity Rotation Compensator 15 Spectrograph 16 Computer L10a Incident Collimated Beam Emitted by Light Source L10b On Test Piece Incident incident parallel beam L10c Reflected parallel beam reflected by the specimen L10d Reflected parallel beam incident on the spectrometer 20 (conventional) double compensator-rotational normal incidence ellipsometer 21 light source 22 light splitter 23 linear polarizer 24a th 1 constant velocity rotation compensator 24aw 1st wave plate 24am 1st constant velocity rotation hollow shaft motor 24b 2nd constant velocity rotation compensator
24bw Second wave plate 24bm Second constant velocity rotating hollow shaft motor 25 Spectrometer 26 Computer equipment 27 Shielding booth 28 Gas supply device L20a Incident parallel beam emitted by light source L20b Incident parallel beam incident on test piece L20c By test piece Reflected Reflected Parallel Beam L20d Reflected Parallel Beam Entering Spectrometer 100 Linear Polarizer-Rotating Normal Incidence Ellipsometer of First Embodiment of the Invention 101 Light Source 102 Light Splitter 103 Linear Polarizer 103m Hollow Shaft Stepper Motor 104 Constant Velocity Rotating linear polarizer 104m Uniform rotating hollow shaft motor 105 Photodetector 106 Computer equipment 107 Shielding booth 108 Gas supply device 109 Focusing optics L100a Incident parallel beam emitted by light source L100b Incident parallel beam incident on test piece L100c Test Reflected parallel beam reflected by piece L100d Reflected parallel beam incident on photodetector element 200 Linear polarizer of the second embodiment of the invention - rotated normal incidence ellipsometer 201 light source 203 light splitting linear polarizer 204 constant velocity rotating linear polarizer 204m Constant velocity rotating hollow shaft motor 205 Photodetector 206 Computing equipment L200a Incident parallel beam emitted by light source L200d Reflected parallel beam incident on photodetector 300 Linear polarizer of the third embodiment of the present invention - rotating vertical incidence Ellipsometer 301 light source 302 light splitter 303 light splitting linear polarizer 304 uniform rotary linear polarizer 304m uniform rotary hollow shaft motor 305s s-polarized light detector 305p p-polarized light detector 306 computer L300a emitted by light source Incident parallel beam L300s Reflected parallel beam incident on s-polarized photodetector L300p Reflected parallel beam incident on p-polarized photodetector 1000 Specimen

Claims (21)

視準光学系を含み、試験片に向かって入射平行ビームを放射する光源と、
前記光源と前記試験片との間に配置され、前記入射平行ビームの一部を前記試験片の面に対して垂直方向に向かうようにする光分割器と、
前記光分割器と前記試験片との間に配置され、予め設定された方位角で固定され、前記入射平行ビームを予め設定された方向の線偏光成分のみ通過させる固定偏光子と、
前記固定偏光子と前記試験片との間に配置され、等速で回転して前記入射平行ビームの偏光状態を等速回転振動数に応じて規則的に変調させる等速回転偏光子と、
前記試験片から反射した反射平行ビームの入射を受けて分光放射束の露光量を測定する光検出素子と、
前記試験片と前記光検出素子との間に配置され、等速で回転して前記反射平行ビームの偏光状態を等速回転振動数に応じて規則的に変調させる等速回転検光子と、
前記等速回転検光子と前記光検出素子との間に配置され、予め設定された方位角で固定され、前記反射平行ビームの予め設定された方向の線偏光成分のみ通過させる固定検光子と、
前記固定偏光子および前記固定検光子の方位角、前記等速回転偏光子および前記等速回転検光子の等速回転角速度を制御し、前記光検出素子で測定された分光放射束の露光量値を分析して前記試験片の光物性を算出する電算機器とを含み、
前記固定偏光子および前記固定検光子が一つの線形偏光子として一体になり、前記等速回転偏光子および前記等速回転検光子が一つの等速回転線形偏光子として一体になることを特徴とする、垂直入射エリプソメータ。
a light source that includes collimating optics and emits an incident parallel beam toward the specimen;
a light splitter positioned between the light source and the test piece for directing a portion of the incident parallel beam perpendicular to the plane of the test piece;
a fixed polarizer disposed between the light splitter and the test piece, fixed at a preset azimuth angle, and allowing the incident parallel beam to pass only a linearly polarized component in a preset direction;
a constant velocity rotating polarizer disposed between the fixed polarizer and the test piece and rotating at a constant velocity to regularly modulate the polarization state of the incident parallel beam according to the constant velocity rotation frequency;
a photodetector for receiving the reflected parallel beam reflected from the test piece and measuring the exposure amount of the spectral radiant flux ;
a constant velocity rotating analyzer disposed between the test piece and the photodetector, rotating at a constant velocity to regularly modulate the polarization state of the reflected parallel beam according to the constant velocity rotation frequency;
a fixed analyzer disposed between the constant velocity rotating analyzer and the photodetector, fixed at a preset azimuth angle, and allowing only a linearly polarized component of the reflected parallel beam in a preset direction to pass through;
The azimuth angles of the fixed polarizer and the fixed analyzer, the uniform rotational angular velocities of the uniform rotational polarizer and the uniform rotational analyzer, and the exposure value of the spectral radiant flux measured by the photodetector. and a computer that analyzes and calculates the optical properties of the test piece,
The fixed polarizer and the fixed analyzer are integrated as one linear polarizer, and the constant-rotational polarizer and the constant-rotational analyzer are integrated as one constant-rotational linear polarizer. , normal incidence ellipsometer.
前記垂直入射エリプソメータは、
前記光分割器、前記固定偏光子および前記固定検光子が一つの光分割線形偏光子として一体になることを特徴とする、請求項1に記載の垂直入射エリプソメータ。
The normal incidence ellipsometer,
2. The normal incidence ellipsometer of claim 1, wherein said light splitter, said fixed polarizer and said fixed analyzer are integrated as one light splitting linear polarizer.
前記光分割線形偏光子は、
ウォラストンプリズムであることを特徴とする、請求項2に記載の垂直入射エリプソメータ。
The light-splitting linear polarizer is
3. A normal incidence ellipsometer according to claim 2, characterized in that it is a Wollaston prism.
前記光検出素子は、
画素が線形または二次元平面構造で配列されたCCD、CMOSまたはフォトダイオードアレイ素子を含む分光器でそれぞれ指定された波長帯域に対する画素またはビニングされた画素から選択される少なくとも一つであることを特徴とする、請求項1に記載の垂直入射エリプソメータ。
The photodetector is
Pixels are at least one selected from pixels for each designated wavelength band or binned pixels in a spectroscope including CCD, CMOS or photodiode array elements arranged in a linear or two-dimensional planar structure. 2. The normal incidence ellipsometer of claim 1, wherein .
前記光検出素子は、
一つの分光器であるか、またはS‐偏光分光器およびP‐偏光分光器からなる分光器セットでそれぞれ指定された波長帯域に対する画素またはビニングされた画素から選択される少なくとも一つであることを特徴とする、請求項4に記載の垂直入射エリプソメータ。
The photodetector is
One spectroscope, or at least one selected from pixels or binned pixels for each designated wavelength band in a spectroscope set consisting of an S-polarization spectroscope and a P-polarization spectroscope. 5. A normal incidence ellipsometer as claimed in claim 4.
前記光検出素子は、
前記光源がガスレーザ、レーザダイオードから選択される少なくとも一つである単一波長の光源装置の場合、PMTおよびフォトダイオードを含む単一点光検出器として構成されることを特徴とする、請求項1に記載の垂直入射エリプソメータ。
The photodetector is
In the case of a single-wavelength light source device in which the light source is at least one selected from a gas laser and a laser diode, the light source device is configured as a single-point photodetector including a PMT and a photodiode. Normal incidence ellipsometer as described.
前記光検出素子は、
画素が二次元平面構造で配列されたCCDまたはCMOSを含むイメージング光検出器から選択される一つの画素であることを特徴とする、請求項1に記載の垂直入射エリプソメータ。
The photodetector is
2. The normal incidence ellipsometer according to claim 1, wherein the pixel is one pixel selected from imaging photodetectors including CCD or CMOS arranged in a two-dimensional planar structure.
前記垂直入射エリプソメータは、
前記固定偏光子および前記固定検光子に方位角の調節のための中空軸ステッピングモータが備えられ、
前記等速回転偏光子および前記等速回転検光子の等速回転角速度の調節のための等速回転中空軸モータが備えられることを特徴とする、請求項1に記載の垂直入射エリプソメータ。
The normal incidence ellipsometer,
the fixed polarizer and the fixed analyzer are provided with hollow shaft stepping motors for azimuth adjustment;
2. The vertical incidence ellipsometer as claimed in claim 1, further comprising a constant rotation hollow shaft motor for adjusting the constant rotation angular velocities of the constant rotation polarizer and the constant rotation analyzer.
前記電算機器は、
前記光検出素子から測定された光の分光放射束の露光量値から分光放射束波形に対するフーリエ係数値を計算し、前記フーリエ係数値から前記試験片のミュラー行列成分値を計算し、前記ミュラー行列成分値から前記試験片の光物性値を分析および算出する演算部と、
前記固定偏光子および前記固定検光子の方位角を中空軸ステッピングモータを使用して遠隔制御し、前記等速回転偏光子および前記等速回転検光子の等速回転角速度を等速回転中空軸モータを使用して遠隔制御する制御部と、
前記分光放射束の露光量値である測定値、前記フーリエ係数値および前記ミュラー行列成分値である計算値、前記試験片の光物性値である分析値を格納する記憶部と、
前記測定値、前記計算値、前記分析値を出力する出力部とを含むことを特徴とする、請求項1に記載の垂直入射エリプソメータ。
The computing equipment is
calculating a Fourier coefficient value for a spectral radiant flux waveform from the exposure value of the spectral radiant flux of light measured from the photodetector, calculating the Mueller matrix component values of the test piece from the Fourier coefficient value, and calculating the Mueller matrix a calculation unit that analyzes and calculates optical property values of the test piece from the component values;
The azimuth angles of the fixed polarizer and the fixed analyzer are remotely controlled using a hollow shaft stepping motor, and the uniform rotation angular velocities of the uniform rotation polarizer and the uniform rotation analyzer are controlled by a uniform rotation hollow shaft motor. a control that is remotely controlled using
a storage unit for storing measured values that are exposure values of the spectral radiant flux , calculated values that are the Fourier coefficient values and the Mueller matrix component values, and analytical values that are optical physical property values of the test piece;
2. A normal incidence ellipsometer according to claim 1, further comprising an output section for outputting said measured values, said calculated values and said analyzed values.
前記光源は、
キセノン(XENON)ランプ、タングステン(TUNGSTEN)‐ハロゲン(HALOGEN)ランプ、重水素(DEUTERIUM)ランプ、レーザ駆動の光源(LASER DRIVEN LIGHT SOURCE)、ガスレーザ、レーザダイオードから選択される少なくとも一つであるか、またはこれらから放射した光を光ファイバを通じて伝達することを特徴とする、請求項9に記載の垂直入射エリプソメータ。
The light source is
at least one selected from a xenon (XENON) lamp, a tungsten (TUNGSTEN)-halogen (HALOGEN) lamp, a deuterium (DEUTERIUM) lamp, a laser driven light source (LASER DRIVEN LIGHT SOURCE), a gas laser, a laser diode; 10. A normal incidence ellipsometer according to claim 9, characterized in that the light emitted therefrom is transmitted through an optical fiber.
前記垂直入射エリプソメータは、
光経路を外部大気と遮蔽する遮蔽用ブースと、
前記遮蔽用ブースに連結されて不活性ガスを供給するガス供給装置とを含むことを特徴とする、請求項1に記載の垂直入射エリプソメータ。
The normal incidence ellipsometer,
a shielding booth that shields the light path from the outside atmosphere;
2. A normal incidence ellipsometer according to claim 1, further comprising a gas supply device connected to said shielding booth for supplying an inert gas.
前記不活性ガスは、
窒素ガスまたはアルゴンガスであることを特徴とする、請求項11に記載の垂直入射エリプソメータ。
The inert gas is
12. Normal incidence ellipsometer according to claim 11, characterized in that it is nitrogen gas or argon gas.
前記垂直入射エリプソメータは、
前記等速回転偏光子と前記試験片との間に配置され、前記試験片の局所領域に焦点が結ばれるように前記入射平行ビームを収束させる焦点光学系を含むことを特徴とする、請求項1に記載の垂直入射エリプソメータ。
The normal incidence ellipsometer,
4. A focusing optic disposed between said constant velocity rotating polarizer and said specimen for converging said incident parallel beam so as to focus on a localized region of said specimen. 2. A normal incidence ellipsometer according to claim 1.
前記焦点光学系は、
光帯域波長に対する色収差補正のために、少なくとも一つの鏡、少なくとも一つのレンズ、または少なくとも一つの鏡および少なくとも一つのレンズのセットから選択される一つであることを特徴とする、請求項13に記載の垂直入射エリプソメータ。
The focusing optical system is
14. The method according to claim 13, characterized in that it is one selected from at least one mirror, at least one lens, or a set of at least one mirror and at least one lens for chromatic aberration correction for optical band wavelengths. Normal incidence ellipsometer as described.
前記焦点光学系は、
透過または反射効率の向上のために、前記鏡または前記レンズに単一薄膜または多層薄膜がコーティングされることを特徴とする、請求項14に記載の垂直入射エリプソメータ。
The focusing optical system is
15. The normal incidence ellipsometer of claim 14, wherein the mirror or lens is coated with a single thin film or multiple thin films for improved transmission or reflection efficiency.
前記垂直入射エリプソメータは、
複数個の前記試験片を収容および保管する試験片保管容器、前記試験片保管容器から複数個の前記試験片を予め設定された規則に従って順に一つずつ取り出して前記垂直入射エリプソメータの試験片保持具に配置し、測定完了した前記試験片を前記試験片保管容器の最初の位置に復帰させる試験片搬送装置を含む試験片搬送システムを含むことを特徴とする、請求項1に記載の垂直入射エリプソメータ。
The normal incidence ellipsometer,
A test strip storage container for storing and storing a plurality of the test strips, and a test strip holder for the normal incidence ellipsometer for sequentially taking out the plurality of test strips from the test strip storage container one by one according to a preset rule. 2. The normal incidence ellipsometer of claim 1, further comprising a test strip transport system including a test strip transport device for returning the test strip after measurement to an initial position in the test strip storage container. .
前記垂直入射エリプソメータは、
試験片を位置合わせする光を放射する整列用レーザ、前記整列用レーザから放射する光を前記試験片に予め設定された方向に入射させる整列用光学系、前記試験片に入射されて反射した光を受光して前記試験片の位置を判別する整列用光検出器を含む試験片整列システムを含むことを特徴とする、請求項1に記載の垂直入射エリプソメータ。
The normal incidence ellipsometer,
An alignment laser that emits light for aligning a test piece, an alignment optical system that makes the light emitted from the alignment laser incident on the test piece in a preset direction, and light that is incident on and reflected by the test piece 2. The normal incidence ellipsometer of claim 1, including a specimen alignment system including an alignment photodetector for receiving .rho. to determine the position of said specimen.
前記垂直入射エリプソメータは、
測定環境の振動による影響を防止するために、前記垂直入射エリプソメータの下部に備えられる防振システムを含むことを特徴とする、請求項1に記載の垂直入射エリプソメータ。
The normal incidence ellipsometer,
2. The normal incidence ellipsometer of claim 1, further comprising an anti-vibration system provided at the bottom of the normal incidence ellipsometer to prevent the influence of vibration of the measurement environment.
前記垂直入射エリプソメータは、
温度変化による測定誤差発生を防止するために、測定環境温度を維持するか冷却する恒温装置または冷却装置を含むことを特徴とする、請求項1に記載の垂直入射エリプソメータ。
The normal incidence ellipsometer,
2. The normal incidence ellipsometer according to claim 1, further comprising a constant temperature device or a cooling device for maintaining or cooling the measurement environment temperature to prevent measurement errors from occurring due to temperature changes.
請求項1に記載の垂直入射エリプソメータを用いた試験片の光物性の測定方法であって、
光物性を測定しようとする前記試験片が前記垂直入射エリプソメータの試験片保持具に装着および整列される試験片装着ステップと、
前記電算機器によって、前記固定偏光子および前記固定検光子の方位角値が選択される方位角選択ステップと、
前記電算機器によって、前記固定偏光子および前記固定検光子を設定方位角に移動させる方位角移動ステップと、
前記光検出素子によって、前記等速回転偏光子および前記等速回転検光子の方位角の変化による前記反射平行ビームの分光放射束の露光量値が測定される露光量測定ステップと、
前記電算機器によって、前記分光放射束の露光量値から分光放射束波形のフーリエ係数値が計算されるフーリエ係数計算ステップと、
前記電算機器によって、前記フーリエ係数値から前記試験片のミュラー行列成分値が計算されるミュラー行列成分計算ステップと、
前記電算機器によって、前記ミュラー行列成分値から前記試験片の光物性値が分析および算出される試験片光物性分析ステップとを含むことを特徴とする、垂直入射エリプソメータを用いた試験片の光物性の測定方法。
A method for measuring optical properties of a test piece using the normal incidence ellipsometer according to claim 1,
a test piece mounting step in which the test piece whose optical properties are to be measured is mounted and aligned on a test piece holder of the normal incidence ellipsometer;
an azimuth selection step in which azimuth angle values of the fixed polarizer and the fixed analyzer are selected by the computing device;
an azimuth movement step of moving the fixed polarizer and the fixed analyzer to a set azimuth angle by the computing device;
an exposure measuring step of measuring, by the photodetector, the exposure value of the spectral radiant flux of the reflected parallel beam due to changes in the azimuth angles of the constant velocity rotating polarizer and the constant velocity rotating analyzer;
a Fourier coefficient calculation step in which a Fourier coefficient value of the spectral radiant flux waveform is calculated from the exposure value of the spectral radiant flux by the computing device;
a Mueller matrix component calculation step in which the computing device calculates Mueller matrix component values for the specimen from the Fourier coefficient values;
and a test piece optical property analysis step in which the optical property values of the test piece are analyzed and calculated from the Mueller matrix component values by the computer. How to measure.
前記光物性は、
界面特性、薄膜厚さ、複素屈折率、ナノ形状、非等方特性、表面粗さ、組成比、結晶性から選択される少なくとも一つであることを特徴とする、請求項20に記載の垂直入射エリプソメータを用いた試験片の光物性の測定方法。

The optical physical properties are
21. The perpendicular according to claim 20, characterized by at least one selected from interface properties, thin film thickness, complex refractive index, nano-shape, anisotropic properties, surface roughness, composition ratio, and crystallinity. A method for measuring the optical properties of a test piece using an incident ellipsometer.

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