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JPH0812148B2 - Ellipsometer - Google Patents
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JPH0812148B2 - Ellipsometer - Google Patents

Ellipsometer

Info

Publication number
JPH0812148B2
JPH0812148B2 JP31566086A JP31566086A JPH0812148B2 JP H0812148 B2 JPH0812148 B2 JP H0812148B2 JP 31566086 A JP31566086 A JP 31566086A JP 31566086 A JP31566086 A JP 31566086A JP H0812148 B2 JPH0812148 B2 JP H0812148B2
Authority
JP
Japan
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incident
component
sample surface
azimuth
light
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP31566086A
Other languages
Japanese (ja)
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JPS63168541A (en
Inventor
三行 重久
Original Assignee
日本分光工業株式会社
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Filing date
Publication date
Application filed by 日本分光工業株式会社 filed Critical 日本分光工業株式会社
Priority to JP31566086A priority Critical patent/JPH0812148B2/en
Publication of JPS63168541A publication Critical patent/JPS63168541A/en
Publication of JPH0812148B2 publication Critical patent/JPH0812148B2/en
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は光の偏光という特性を利用して、物体(試
料面)上の薄膜の厚さや試料面上の膜の物性に関する屈
折率を測定するエリプソメータに関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention utilizes the property of light polarization to measure the thickness of a thin film on an object (sample surface) and the refractive index relating to the physical properties of the film on the sample surface. It is about.

従来の技術 第1図に示すように、表面に薄膜2を有する試料1の
表面に、直線偏光を斜め上方から入射角ψで入射させ
れば、試料表面上の薄膜厚さや屈折率によって反射光の
偏光状態が変化し、通常は楕円偏光となって反射され
る。そこでこの反射光の偏光変化量を測定し、解析計算
を行なうことによって、試料表面の薄膜の厚さや屈折率
を求めることができ、これをエリプソメトリと称し、ま
たその装置を一般にエリプソメータと称している。この
ようなエリプソメータにおいて薄膜の厚さや屈折率を求
めるために必要な反射光の偏光変化量の重要なパラメー
タとしては、反射によって水平p座標面上におけるp成
分波とそれに垂直なs座標面上のs成分波との間に生じ
た位相ずれγと、p成分波とs成分波との反射率の相違
に起因して生じた両成分波の振幅の相違による偏光の主
軸方位の変化量Ψとがある。
2. Description of the Related Art As shown in FIG. 1, when linearly polarized light is incident on a surface of a sample 1 having a thin film 2 at an incident angle ψ 0 from an obliquely upper side, it is reflected by a thin film thickness and a refractive index on the surface of the sample. The polarization state of light changes and is usually reflected as elliptically polarized light. Therefore, by measuring the amount of change in the polarization of the reflected light and performing an analytical calculation, it is possible to obtain the thickness and refractive index of the thin film on the sample surface.This is called ellipsometry, and the device is generally called an ellipsometer. There is. In such an ellipsometer, an important parameter of the polarization change amount of the reflected light required to obtain the thickness and the refractive index of the thin film is that the p-component wave on the horizontal p-coordinate plane and the s-coordinate plane perpendicular to it on reflection are reflected. The phase shift γ generated between the s-component wave and the variation Ψ of the principal axis direction of the polarization due to the difference in the amplitudes of the two component waves caused by the difference in the reflectance between the p-component wave and the s-component wave. There is.

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

発明が解決すべき問題点 従来のエリプソメータのうち、測光型のものは、偏光
変化量のパラメータである位相ずれγおよび主軸方位の
変化量Ψを計算で求めているため、強度比の大きい直線
偏光に近いところでは、測定精度が悪くなる問題があ
る。一方消光型では、偏光角度を直接的に角度として測
定するため、偏光プリズムの性態極限までの高い測定精
度が得られる利点もあるが、測定時に偏光プリズムの回
転移動を伴なうため測定時間が長い欠点がある。
Problems to be Solved by the Invention Among the conventional ellipsometers, the photometric type is a linearly polarized light with a large intensity ratio because it calculates the phase shift γ and the main axis azimuth variation Ψ, which are parameters of the polarization variation. There is a problem that the measurement accuracy is deteriorated in a place close to. On the other hand, the extinction type has the advantage that high measurement accuracy can be obtained up to the physical limit of the polarization prism because the polarization angle is measured directly as an angle, but the measurement time is increased because the polarization prism is rotated and moved during measurement. Has a long drawback.

そして測光型、消光型の両者に共通の欠点として、光
強度を直流成分として検出しているため、背影光などの
影響を直接受け、信号対雑音比(S/N)が悪い問題があ
る。
As a drawback common to both the photometric type and the extinction type, since the light intensity is detected as a DC component, there is a problem that the signal-to-noise ratio (S / N) is badly affected by the back light.

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

問題点を解決するための手段 この発明のエリプソメータでは、基本的には試料に直
線偏光を入射するとともに、試料への入射光路中もしく
は反射光路中に位相変調素子を挿入して、試料への入射
光もしくは反射光を変調させ、光検出器の信号からその
変調周波数に同期して変調周波数の成分、変調数端数の
2倍の周波数成分、および直流成分を取出し、前記変調
周波数の2倍の周波数成分V(2ω)が零となるように
直線偏光素子もしくは検光子の方位を制御し、その状態
で変調周波数の周波数成分V(ω)が最大となるように
試料への入射角ψを制御し、そのときの直角偏光素子
もしくは検光子の回転角θを入射角ψから試料の屈折
率の値および/または薄膜の厚さを求めるようにした。
Means for Solving Problems In the ellipsometer of the present invention, basically, linearly polarized light is made incident on a sample, and a phase modulation element is inserted in an incident light path or a reflected light path to the sample to make it incident on the sample. Light or reflected light is modulated, and a modulation frequency component, a frequency component twice the modulation number fraction, and a DC component are extracted from the signal of the photodetector in synchronization with the modulation frequency, and the frequency twice the modulation frequency. The azimuth of the linear polarization element or the analyzer is controlled so that the component V (2ω) becomes zero, and the incident angle ψ 0 to the sample is controlled so that the frequency component V (ω) of the modulation frequency becomes maximum in that state. Then, the rotation angle θ of the orthogonal polarization element or the analyzer at that time was determined from the incident angle ψ 0 to obtain the value of the refractive index of the sample and / or the thickness of the thin film.

具体的には、第1発明は、直線偏光を試料面に入射せ
しめてその反射光の偏光状態から試料面に関する値を測
定するエリプソメータにおいて、試料面への入射光の入
射角ψを制御する入射角制御機構を設け、かつ試料面
への入射光の光路中に、試料面への入射直線偏光の偏光
方位を初期状態で入射面に対して+45゜もしくは−45゜
となるように直線偏光素子を配置し、さらにこの直線偏
光素子の方位を±45゜からθ゜だけ回転させる方位制御
機構を設け、試料面からの反射光の光路中に、振幅
δ、変調角周波数ωなる位相変調素子をその遅延軸方
位が入射面に対して+45゜もしくは−45゜となるよう配
置するとともに、その位相変調素子の出射側に、透過軸
方位が入射面に対して0゜もしくは90゜となるように検
光子を配置し、さらにその検光子の出射側に光を光電変
換するための光検出器を配置し、その光検出器の出力信
号のω成分、20ω成分および直流成分をそれぞれ独立し
て取出すための信号成分分離回路を設け、前記2ω成分
が零となるように直線偏光素意の偏光方位を回転させて
そのときの±45゜からの回転角θで偏光方位を固定し、
かつその状態でω成分が最大となるように入射角ψ
制御して、そのときの回転角θおよび入射角ψから試
料面の屈折率および/または試料面の薄膜の厚さを求め
るようにしたことを特徴とするものである。
Specifically, the first invention controls the incident angle ψ 0 of the incident light on the sample surface in an ellipsometer in which linearly polarized light is incident on the sample surface and the value related to the sample surface is measured from the polarization state of the reflected light. An incident angle control mechanism is provided and linearly polarized so that the polarization direction of the linearly polarized light incident on the sample surface is + 45 ° or −45 ° with respect to the incident surface in the initial state in the optical path of the incident light on the sample surface. A azimuth control mechanism for arranging the elements and rotating the azimuth of this linear polarization element from ± 45 ° to θ ° is provided, and phase modulation with amplitude δ 0 and modulation angular frequency ω is provided in the optical path of the reflected light from the sample surface. The element is arranged so that its delay axis azimuth is + 45 ° or −45 ° with respect to the incident surface, and the transmission axis azimuth is 0 ° or 90 ° with respect to the incident surface on the exit side of the phase modulation element. Place the analyzer so that A photodetector for photoelectrically converting light is disposed on the exit side of the child, and a ω component of the output signal of the photodetector, a 20ω component, and a signal component separation circuit for independently extracting the DC component are provided, The polarization direction of linearly polarized light is rotated so that the 2ω component becomes zero, and the polarization direction is fixed at a rotation angle θ from ± 45 ° at that time,
Further, the incident angle ψ 0 is controlled so that the ω component becomes maximum in that state, and the refractive index of the sample surface and / or the thickness of the thin film on the sample surface is obtained from the rotation angle θ and the incident angle ψ 0 at that time. It is characterized by doing so.

また第2発明のエリプソメータは、基本的には位相変
調素子を試料への入射光路中に配置し、かつ検光子の方
位を制御するようにした点が第1発明のエリプメータと
異なる。すなわち第2発明のエリプソメータは、直線偏
光を試料面に入射せしめてその反射光の偏光状態から試
料面に関する値を測定するエリプソメータにおいて、試
料面への入射光の入射角ψを制御する入射角制御機構
を設け、かつ試料面への入射光の光路中に、直線偏光の
偏光方位を入射面に対し0゜もしくは90゜となるように
直線偏光素子を配置するとともに、その直線偏光素子と
試料面との間に振幅δ、変調角周波数ωなる位相変調
素子をその遅延軸方位が入射面に対して+45゜もしくは
−45゜となるように配置し、試料面からの反射光の光路
中に、透過軸方位が初期状態で入射面に対して+45゜も
しくは−45゜となるように検光子を配置し、その検光子
には±45゜の方位からθだけ回転させる方位制御機構を
設け、さらにその検光子の出射側に光を光電変換するた
めの光検出器を配置し、その光検出器の出力信号のω成
分、2ω成分および直流成分をそれぞれ独立して取出す
ための信号成分分離回路を設け、さらに前記2ω成分が
零となるように検光子の方位を回転させてそのときの±
45゜からの回転角θで偏光方位を固定し、かつその状態
でω成分が最大となるように入射角ψを制御して、そ
のときの回転角および入射角ψから試料面の屈折率お
よび/または試料面の薄膜の厚さを求めるようにしたこ
とを特徴とするものである。
The ellipsometer of the second invention is different from the ellipsometer of the first invention in that the phase modulation element is basically arranged in the incident optical path to the sample and the orientation of the analyzer is controlled. That is, the ellipsometer of the second invention is an ellipsometer in which linearly polarized light is made incident on the sample surface and the value relating to the sample surface is measured from the polarization state of the reflected light thereof, and the incident angle ψ 0 for controlling the incident angle ψ 0 of the incident light on the sample surface is A control mechanism is provided and a linear polarization element is arranged so that the polarization direction of the linearly polarized light is 0 ° or 90 ° with respect to the incident surface in the optical path of the incident light on the sample surface. A phase modulator with an amplitude δ 0 and a modulation angular frequency ω between it and the surface is placed so that its delay axis azimuth is + 45 ° or −45 ° with respect to the incident surface, and in the optical path of the reflected light from the sample surface. In addition, the analyzer is placed so that the transmission axis azimuth is + 45 ° or −45 ° with respect to the incident surface in the initial state, and the analyzer is provided with the azimuth control mechanism that rotates by θ from the ± 45 ° azimuth. , And the exit side of the analyzer Is provided with a photodetector for photoelectrically converting light, and a signal component separation circuit for independently extracting the ω component, the 2ω component, and the DC component of the output signal of the photodetector is provided, and the 2ω component is further provided. Rotate the direction of the analyzer so that
The polarization azimuth is fixed at a rotation angle θ from 45 °, and the incident angle ψ 0 is controlled so that the ω component is maximized in that state, and the refraction of the sample surface from the rotation angle and the incident angle ψ 0 at that time is controlled. It is characterized in that the rate and / or the thickness of the thin film on the sample surface is obtained.

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

[A:エリプソメータの測定原理] エリプソメータは、物体の表面で光が反射する際の偏
光状態の変化を観測して、物体自身の光学定数(屈折
率)または物体の表面に付着した薄膜の厚さと光学定数
(屈折率)を知る方法である。そこで先ず物体自身、す
なわち薄膜がない場合の下地の光学定数の測定原理を、
続いて薄膜がある場合の薄膜の厚さと光学定数の測定原
理について分けて説明する。
[A: Ellipsometer measurement principle] The ellipsometer observes the change in the polarization state when light is reflected on the surface of an object and determines the optical constant (refractive index) of the object itself or the thickness of the thin film attached to the surface of the object. This is a method of knowing the optical constant (refractive index). So, first of all, the measurement principle of the optical constant of the object itself, that is, the case where there is no thin film,
Subsequently, the principle of measuring the thickness of the thin film and the optical constant when the thin film is present will be described separately.

A−1:下地の光学定数の測定 先ず試料の光学定数を=n−ikとする。ここでは
複素数屈折率、nは屈折率、kは吸収係数、iは虚数単
位である。
A-1: Measurement of optical constant of substrate First, the optical constant of the sample is set to = n-ik. Here, a complex number refractive index, n is a refractive index, k is an absorption coefficient, and i is an imaginary unit.

真空中から入射角ψで入射する単色平行光束の入射
面に平行な振動成分(p成分)の振幅反射率(フレネル
係数)を、入射面に垂直な振動成分(s成分)の振
幅反射率(フレネル係数)をとし、これらをそれぞ
=rpexp(−iφ) (1) =rsexp(−iφ) (2) とする。これらは試料の光学定数=n−ikと入射角ψ
との関係となっている。
The amplitude reflectance (Fresnel coefficient) of the vibration component (p component) parallel to the incident surface of the monochromatic parallel light flux incident from the vacuum at the incident angle ψ 0 is p , and the amplitude reflection of the vibration component (s component) perpendicular to the incident surface is p Let s be the ratio (Fresnel coefficient), and let p = r p exp (-iφ p ) (1) s = r s exp (-iφ s ) (2). These are the optical constant of the sample = n-ik and the incident angle ψ
It has a relationship with 0 .

吸収係数k=0の透明体試料では一般にφ、φ
0またはπ、従っては実数であるので、入謝
した直線偏光は楕円偏光とならずに、直線偏光として反
射される。
In a transparent sample with an absorption coefficient k = 0, φ p and φ s are generally 0 or π, and therefore p and s are real numbers, so the linearly polarized light that has entered is not elliptically polarized but is reflected as linearly polarized light. .

しかし、金属などの吸収体試料(k≠0)では、反射
に起因する位相差(リターデーション)γ、すなわち γ=φ−φ (3) は、入射角ψの値によって、0からπまで連続的に変
化するから、一般にp/は複素数(の各
々も複素数)である。
However, in the case of an absorber sample (k ≠ 0) such as a metal, the phase difference (retardation) γ due to reflection, that is, γ = φ p −φ s (3), varies from 0 depending on the value of the incident angle ψ 0. Since it continuously changes up to π, p / s is generally a complex number (each of p and s is also a complex number).

と書き、tanΨ≡ρ(=rp/rs)を振幅反射率比または振
幅反射係数比(実数)と呼んでいる。
, And tan Ψ≡ρ (= r p / r s ) is called the amplitude reflectance ratio or the amplitude reflectance coefficient ratio (real number).

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

その楕円偏光のパラメーターを二つ(たとえば、楕円
の長軸の方位角αと楕円率X)を測定すれば、それから
振幅反射率比ρ≡tanΨと位相差(リターデーション)
γを求めることができる。この二つの量tanΨ、γと屈
折率nおよび吸収係数kとの間には、次の様な関係式が
知られている。
If two parameters of the elliptically polarized light (for example, the azimuth α of the long axis of the ellipse and the ellipticity X) are measured, then the amplitude reflectance ratio ρ≡tan Ψ and the phase difference (retardation) are obtained.
γ can be obtained. The following relational expression is known between these two quantities tan Ψ, γ and the refractive index n and the absorption coefficient k.

したがって、Ψの値とγの値を知れば、試料の屈折率
nと吸収係数kを求めることができるのである。
Therefore, by knowing the values of Ψ and γ, the refractive index n and the absorption coefficient k of the sample can be obtained.

A−2:薄膜の厚さと光学定数の決定 第2図に示すように、屈折率=n2−ik2(既知と
する)の下地面上に屈折率=n1−ik1、厚さdの等
方均質な薄膜2があり、これに入射角ψで直線偏光が
入射するものとする。
A-2: Determination of thickness and optical constant of thin film As shown in FIG. 2, refractive index 2 = n 2 −ik 2 (known) on the lower ground, refractive index 1 = n 1 −ik 1 , thickness It is assumed that there is an isotropic homogeneous thin film 2 having a thickness d, and linearly polarized light is incident on this at an incident angle ψ 0 .

反射光Rは薄膜表面で反射した光R1や、薄膜と下地の
境界面で反射してくる光R2、以下薄膜中を往復しながら
出てくるR3以降の光の合成となる。すなわち、 R=R1+R2+R3+… (7) 膜内での繰返し反射干渉を考慮に入れた面全体として
の振幅反射率は、p成分、s成分に対して、それぞれ で与えられる。
The reflected light R is a combination of the light R 1 reflected on the surface of the thin film, the light R 2 reflected on the boundary surface between the thin film and the base, and the light of R 3 and the subsequent light emitted while reciprocating in the thin film. That is, R = R 1 + R 2 + R 3 + ... (7) The amplitude reflectance of the entire surface considering the repetitive reflection interference in the film is as follows for the p component and the s component, respectively. Given in.

ここで、 j-1sinψj-1jsinψ (12) δ=4π1dcosψ1/λ (13) であり、jpjsは、j=1のときは、第1面(真空
−膜)、j=2のときは第2面(膜−下地)における
p、s成分の振幅反射率(フレネル係数)である。また
δは、膜幅1往復によって生ずる位相差であり、λは真
空中の波長である。
here, j-1 sin ψ j-1 = j sin ψ j (12) δ = 4π 1 dcos ψ 1 / λ (13), and jp and js are the first surface (vacuum-membrane) and j when j = 1. = 2 is the amplitude reflectance (Fresnel coefficient) of the p and s components on the second surface (film-base). Further, δ is a phase difference caused by one round trip of the film width, and λ is a wavelength in vacuum.

ここで、p/jpなどのフレネル係数やδが実
数でも複素数になるから、反射光は楕円偏光になる。
Here, p / s is a complex number even if the Fresnel coefficient such as jp or δ is a real number, so the reflected light becomes elliptically polarized light.

複素数反射係数比p/は、(4)式と同様に とあらわされる。The complex reflection coefficient ratio p / s is the same as in equation (4). Is represented.

ここで、右辺の値tanΨ、γはエリプソメータで測定
される量であり、一方左辺の係数比は、(6)〜(11)
式から理解できるように、(n1,k1)、(n2,
k2)、d、λ、ψの関数となっている。すなわち γ,Ψ=F(n1,n2,k1,k2,d,λ,ψ) (15) (15)式の右辺のパラメータの内、n2、k2、λ、ψ
を既知として、測定値γ、Ψを用いれば、未知数として
n1、dを解くことができる。
Here, the values tan Ψ and γ on the right side are quantities measured by an ellipsometer, while the coefficient ratios on the left side are (6) to (11).
As can be understood from the formula, 1 (n 1 , k 1 ), 2 (n 2 ,
k 2 ), d, λ, ψ 0 . That is, γ, Ψ = F (n 1 , n 2 , k 1 , k 2 , d, λ, ψ 0 ) (15) Among the parameters on the right side of the equation (15), n 2 , k 2 , λ, ψ 0
If the measured values γ and Ψ are used as
n 1 and d can be solved.

例えば、k1=0(透明膜)であれば、未知数はn1、d
だけであって、計算機により簡単に値を求めることがで
きる。k1>0(吸収膜)の場合も、γ、Ψを測定するこ
とにより、n1、k1、dを知ることができる。測定量の
γ、Ψより、求める量n1、k1、dの計算による算出方法
は公知である。
For example, if k 1 = 0 (transparent film), the unknowns are n 1 , d
However, the value can be easily obtained by the computer. Even when k 1 > 0 (absorption film), n 1 , k 1 , and d can be known by measuring γ and Ψ. A method of calculating the required quantities n 1 , k 1 , and d from the measured quantities γ and Ψ is known.

以上のように、試料面上の薄膜の厚さd、および光学
定数である屈折率n1、吸収係数k1はエリプソメータによ
り測定された振幅反射係数比tanΨ(=ρ)および位相
差γから求めることができるのである。
As described above, the thickness d of the thin film on the sample surface and the refractive index n 1 and the absorption coefficient k 1 which are optical constants are obtained from the amplitude reflection coefficient ratio tan Ψ (= ρ) and the phase difference γ measured by the ellipsometer. It is possible.

[B:本発明の論理的解析] この発明のエリプソメータ光学配列における出力の解
析を、ミュラー行列の解析方法を用いて次のような手順
で行なう。なおここでは第3図に示される第1発明の光
学配列を例にとって説明する。
[B: Logical analysis of the present invention] The output of the ellipsometer optical array of the present invention is analyzed by the following procedure using the Mueller matrix analysis method. Here, the optical arrangement of the first invention shown in FIG. 3 will be described as an example.

先ず光検出器の信号について、位相変調素子の変調周
波数と同じ周波数の成分V(ω)、2倍の周波数の成分
V(2ω)、および直流成分V(DC)がどのようになっ
ているかを導く。次いでV(2ω)が零となるように直
線偏光素子の偏光方位を制御したときの条件を導く。さ
らにこのようにV(2ω)が零となるように偏光方位を
角度θで固定した状態でV(ω)が最大となるように試
料への入射角ψを制御した時の条件を導く。そしてそ
のときの角度θと入射角ψと複素数屈折率(屈折率
nおよび吸収係数k)、薄膜厚さdとの関係を導く。
First, regarding the signal of the photodetector, the component V (ω) having the same frequency as the modulation frequency of the phase modulation element, the component V (2ω) having the double frequency, and the direct current component V (DC) are described. Lead. Next, the conditions for controlling the polarization direction of the linear polarization element so that V (2ω) becomes zero are derived. Further, the conditions for controlling the incident angle ψ 0 on the sample so that V (ω) is maximized with the polarization azimuth fixed at the angle θ so that V (2ω) becomes zero in this way are derived. Then, the relationship between the angle θ, the incident angle ψ 0 , the complex number refractive index (refractive index n and absorption coefficient k), and the thin film thickness d is derived.

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

B−1:各信号成分と位相差、反射係数比の関係 先ず各光学素子をミュラー行列で表現する。検光子の
ミュラー行列A0は、 で表わされる。
B-1: Relationship between each signal component, phase difference, and reflection coefficient ratio First, each optical element is represented by a Mueller matrix. The Mueller matrix A 0 of the analyzer is Is represented by

位相変調器のミュラー行列M45,δ(ω)は、 但しδは、光学的位相変調器の変調の角周波数(角速
度)をω、振幅をδとして δ=δ0sinωt (18) で表わされる。
The Mueller matrix M 45 , δ (ω) of the phase modulator is However, δ is represented by δ = δ 0 sinωt (18) where ω is the angular frequency (angular velocity) of the modulation of the optical phase modulator and δ 0 is the amplitude.

また45゜の偏波面に対する試料の反射表面のミュラー
行列Siは、反射係数比rp/rsを与えれば、 で表わされる。但し、γは位相変化の差(位相差=リタ
ーデーション)、rp、rsは、それぞれp成分、s成分の
反射係数である。
Also, the Mueller matrix Si of the reflection surface of the sample with respect to the polarization plane of 45 ° is given by the reflection coefficient ratio r p / r s , Is represented by However, γ is the difference in phase change (phase difference = retardation), and r p and r s are reflection coefficients of the p component and the s component, respectively.

偏光状態の方位をθ゜だけ回転させるミュラー行列T
θは、 で表わされる。
Mueller matrix T for rotating the azimuth of the polarization state by θ °
θ is Is represented by

さらに45゜の直線偏光のミュラー行列I45は、 で表わされる。Furthermore, the Mueller matrix I 45 of 45 ° linearly polarized light is Is represented by

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

I(d)=A0・M45,δ(ω)・Si・T0・I45 (22) そこで(16)式、(17)式、(19)式〜(21)式から
I(d)を求めると次式となる。
I (d) = A 0 · M 45 , δ (ω) · Si · T 0 · I 45 (22) Then, from equations (16), (17), (19) to (21), I (d ) Is calculated as follows.

ここでベッセル関数を用いてsinδ、cosδを展開すれ
ば、 sinδ=sin(δ0sinωt) =2J1(δ)sinωt+2J3(δ)sin3ωt+… (2
4) cosδ=cos(δ0sinωt) =J0(δ)+dJ2(δ)cos2ωt +2J4(δ)cos4ωt+… (25) で与えられる。
Here using Bessel functions sin [delta, if deployed cosδ, sinδ = sin (δ 0 sinωt) = 2J 1 (δ 0) sinωt + 2J 3 (δ 0) sin3ωt + ... (2
4) cosδ = cos (δ 0 sinωt) = J 0 (δ 0) + dJ 2 (δ 0) cos2ωt + 2J 4 (δ 0) cos4ωt + ... given by (25).

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

V(d)= V(DC)+V(ω)+V(2ω)+(高調波項)(26) (24)式、(25)式において、J0(δ)の項は直流
成分に、J1(δ)の項はω成分に、J2(δ)の項は
2ω成分に相当する。したがって(23)式および(24)
式、(25)式から、(26)式の各成分V(DC)、V
(ω)、V(2ω)を求めれば、 V(DC)=rp 2+rs 2−(rp 2−rs 2)sin2θ +(rp 2−rs 2)・J0(δ) −(rp 2+rs 2)sinθ・J0(δ) (27) V(ω)=−4rprs・J1(δ)・cos2θsinγ (28) V(2ω)=2(rp 2−rs 2)・J2(δ) −2(rp 2+rs 2)sin2θ・J2(δ) (29) となる。
V (d) = V (DC) + V (ω) + V (2ω) + (harmonic term) (26) In the equations (24) and (25), the term J 00 ) is the DC component, The term J 10 ) corresponds to the ω component, and the term J 20 ) corresponds to the 2ω component. Therefore, equation (23) and (24)
From equation (25), each component of equation (26) V (DC), V
If (ω) and V (2ω) are calculated, V (DC) = r p 2 + r s 2 − (r p 2 −r s 2 ) sin 2 θ + (r p 2 −r s 2 ) · J 00 ) − (R p 2 + r s 2 ) sin θ · J 00 ) (27) V (ω) = − 4r p r s · J 10 ) · cos 2θ sinγ (28) V (2ω) = 2 ( r p 2 −r s 2 ) · J 20 ) −2 (r p 2 + r s 2 ) sin 2 θ · J 20 ) (29).

B−2:偏光方位の制御および入射角の制御 ここで、偏光子の方位を±45゜から回転させて2ω成
分の大きさ零となるように制御した場合、(29)式でV
(2ω)=0と置いて、 rp 2−rs 2=(rp 2+rs 2)sin2θ (30) が成立する。
B-2: Control of polarization azimuth and control of incident angle Here, when the azimuth of the polarizer is rotated from ± 45 ° so that the magnitude of the 2ω component becomes zero, V is given by the equation (29).
With (2ω) = 0, r p 2 −r s 2 = (r p 2 + r s 2 ) sin2θ (30) holds.

このように2ω成分が零となった条件のとき、直流成
分V(DC)は、(30)式を(27)式に代入して、 V(DC)=(rp 2+rs 2)cos22θ (31) となる。
Under the condition that the 2ω component becomes zero in this way, the direct current component V (DC) is expressed by V (DC) = (r p 2 + r s 2 ) cos by substituting the formula (30) into the formula (27). It becomes 2 2 θ (31).

一方、2ω成分が零となった条件で反射係数比rs/rp
(=tanΨ)を求めれば、(30)式から このように2ω成分の大きさが零となるように直線偏
光素子を回転させ、方位角θ(但し初期の±45゜からの
方位角)で固定し、その状態でω成分V(ω)が最大と
なるような条件を求めれば、前記(28)式のV(ω)の
式においてV(ω)が最大となるためには、 sinγ=1 すなわち γ=π/2 (33) であれば良いことが判る。
On the other hand, under the condition that the 2ω component becomes zero, the reflection coefficient ratio r s / r p
If (= tan Ψ) is obtained, from equation (30) In this way, the linear polarization element is rotated so that the magnitude of the 2ω component becomes zero and fixed at the azimuth angle θ (however, the azimuth angle from the initial ± 45 °), and in that state the ω component V (ω) is If the condition that maximizes is obtained, in order to maximize V (ω) in the formula of V (ω) in the above formula (28), sin γ = 1, that is, γ = π / 2 (33) I know it's good.

すなわち、試料への入射角ψを変化させて、変調周
波数と同じω成分V(ω)が最大となった入射角のと
き、位相差(リターデーション)γが90゜(π/2)とな
る。
That is, when the incident angle ψ 0 on the sample is changed and the ω component V (ω), which is the same as the modulation frequency, is the maximum incident angle, the phase difference (retardation) γ is 90 ° (π / 2). Become.

一般にγ=π/2となるような入射角を主入射角と称
しており、したがってV(2ω)=0となるように直線
偏光素子の方位角θを固定した条件下でV(ω)が最大
となるように入射角ψを制御すれば、そのときの入射
角が主入射角で、位相差γがπ/2となっている。
Generally, the incident angle at which γ = π / 2 is called the main incident angle, and therefore V (ω) is fixed under the condition that the azimuth θ of the linear polarization element is fixed so that V (2ω) = 0. If the incident angle ψ 0 is controlled to be the maximum, the incident angle at that time is the main incident angle, and the phase difference γ is π / 2.

なお以上の関係は第3図の第1発明の例について述べ
たが、第4図の第2発明の場合も、θが検光子の方位角
となることが異なるだけであり、上記と同じ関係が成立
する。
Although the above relationship has been described with respect to the example of the first invention of FIG. 3, in the case of the second invention of FIG. 4 as well, the difference is that θ is the azimuth angle of the analyzer, and the same relationship as above. Is established.

B−3:屈折率の算出関係 一般に光が媒質A(その光学定数=n1+ik1)か
ら媒質B(その光学定数=n2−ik2)に入射角ψ
で入射するときの屈折角をψ、位相変化をγとすれ
ば、振幅反射率を表すS偏光のフレネル係数rs,P偏光の
フレネル係数rpは次式で与えられる。
B-3: Relation of Calculation of Refractive Index Generally, light is incident from the medium A (its optical constant 1 = n 1 + ik 1 ) to the medium B (its optical constant 2 = n 2 −ik 2 ) at an incident angle ψ 1
Assuming that the refraction angle is ψ 2 , and the phase change is γ, the S-polarized Fresnel coefficient r s and the P-polarized Fresnel coefficient r p that represent the amplitude reflectance are given by the following equations.

S偏光 P偏光 ただし jcosψj=(j2−sin2ψj)1/2 (36) 従って、空気中で吸収のある媒質に入射角ψで光を
投射したときは、 この式を用いると、次式を導き出すことができる。
S polarization P polarization However, jcos ψj = (j 2 −sin 2 ψj) 1/2 (36) Therefore, when light is projected onto a medium that absorbs in air at an incident angle ψ 0 , Using this formula, the following formula can be derived.

ここで、P、Qはそれぞれ である。 Where P and Q are Is.

(40)式を実数部分および虚数部分に分け、かつ ρ≡rs/rp=tanΨ (41) とおいて整理すると、次式を得る。By dividing Eq. (40) into real and imaginary parts and arranging as ρ≡r s / r p = tan Ψ (41), the following equation is obtained.

ここで、吸収も少なく、入射角もある範囲よりも小さ
くてn2−k2≫sin2ψが成立する場合は、(38)式が簡
単になるから、nとkが次式で与えられる。
If n 2 −k 2 >> sin 2 ψ 0 holds when the absorption is small and the incident angle is smaller than a certain range, the equation (38) is simplified, and n and k are given by the following equations. To be

γ=π/2となる主入射角ψ=で測定を行なうと
(42)、(43)、(44)、(45)式は、それぞれ次の様
に書ける。
When the measurement is performed at the main incident angle ψ 0 = such that γ = π / 2, the equations (42), (43), (44), and (45) can be written as follows.

n2−k2=sin2(1+cos4Ψtan2) (46) 2nk=sin4Ψsin2tan2 (47) n≒cos2Ψsintan2 (48) k≒sos2Ψsintan2 (49) ところで既に述べた(33)式から、 rs/rp≡tanΨ=tan(45゜−θ) したがって Ψ=45゜−θ (50) が成立している。したがって(48)式、(49)式は(5
0)式を用いて次のように書き換えられる。
n 2 −k 2 = sin 2 (1 + cos4Ψ tan 2 ) (46) 2nk = sin4 Ψsin 2 tan 2 (47) n ≈ cos 2 Ψsintan 2 (48) k ≈ sos2 Ψsintan 2 (49) From the equation (33) already mentioned, r s / r p ≡tan Ψ = tan (45 ° -θ) Therefore Ψ = 45 ° -θ (50) holds. Therefore, equations (48) and (49) are (5
It can be rewritten as follows using equation (0).

n≒sin2θsintan (51) k≒cos2θsintan (52) ここで正入射角は、V(2ω)=0となるように方
位角θを固定した状態でV(ω)が最大となるように試
料への入射角を制御したときの入射角であるから、既知
となっている。またΨもθから(50)式により既知とな
っている。したがってθおよびから、(51)式、(5
2)式により屈折率nおよび吸収係数kが求まることに
なる。
n ≈ sin2θsintan (51) k ≈ cos2θsintan (52) Here, the positive incident angle is such that V (ω) becomes maximum with the azimuth θ fixed so that V (2ω) = 0. It is known because it is the incident angle when the incident angle is controlled. Also, Ψ is known from θ according to equation (50). Therefore, from θ and,
The refractive index n and the absorption coefficient k can be obtained from the equation (2).

B−3:薄膜の厚さdの算出 試料面上の薄膜についての求める量、すなわち屈折率
n1、吸収係数k1、薄膜の厚さdとエリプソメータにより
測定される位相差γと振幅反射率比tanΨ(=ρ)との
関係は、既に述べたように で与えられており、γ、Ψは次式で定まる関数である。
B-3: Calculation of the thickness d of the thin film The amount to be obtained for the thin film on the sample surface, that is, the refractive index
The relationship between n 1 , the absorption coefficient k 1 , the thickness d of the thin film, the phase difference γ measured by the ellipsometer, and the amplitude reflectance ratio tan Ψ (= ρ) is as described above. And γ and Ψ are functions determined by the following equation.

Ψ=f(n1,k1,d,n2,k20,λ) (54) γ=f(n1,k1,d,n2,k20,λ) (55) 従って、n1、k1、d、n2、k2、ψ、λを与えてやれ
ばΨ、γを計算でき、逆にΨ、γが求められていれば、
dを求めることができる。(54)式、(55)式を計算し
て図表化したものが既に公知となっており、この種の詳
しい図表を作っておけば内挿法によって測定値よりただ
ちに薄膜厚さdを知ることができる。なおγ、Ψの測定
値より、計算機を用いてdを求めることも可能である。
Ψ = f (n 1 , k 1 , d, n 2 , k 2 , ψ 0 , λ) (54) γ = f (n 1 , k 1 , d, n 2 , k 2 , ψ 0 , λ) ( 55) Therefore, if n 1 , k 1 , d, n 2 , k 2 , ψ 0 , λ are given, Ψ and γ can be calculated, and conversely, if Ψ and γ are obtained,
d can be obtained. It is already known that the formulas (54) and (55) are calculated and tabulated. If a detailed chart of this kind is made, the thin film thickness d can be immediately known from the measured value by interpolation. You can It is also possible to obtain d from the measured values of γ and Ψ using a computer.

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

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

前記光検出器15の出力信号は、信号成分分離回路16に
よって直流成分V(DC)、ω成分V(ω)、2ω成分V
(2ω)にそれぞれ分離して取出される。この信号成分
分離回路16は、フィルタや同期整流回路等を用いて構成
される。信号成分分離回路16から得られた各成分V(D
C)、V(ω)、V(2ω)の信号(但し同期整流後の
信号)のうち、2ω成分V(2ω)は、試料1に対する
入射角ψを制御するための入射角制御機構18に与えら
れて、V(ω)が最大となるように入射角ψを制御す
るために使用される。なおここで、入射角制御機構18
は、単に入射角を制御するのみならず、試料1からの正
反射光が反射光路の光学系に入射されるように制御する
ことが望ましく、したがって例えば第3図に示すように
入射光路の光学系19と反射光路の光学系20の試料1に対
する角度を同時に制御したり、あるいは試料1を保持す
る図示しない試料基台の角度と入射光路の光学系もしく
は出射光路の角度とを同時に制御するように構成すれば
良い。一方、信号成分分離回路16で分離された直流成分
V(DC)は、光検出器15または図示しない増幅器へ与え
られて、そのV(DC)が一定となるように光検出器15の
感度や増幅率が制御される。さらに、前述のようにV
(2ω)が零となるように直線偏光素子1の方位角が制
御された時の方位角θと、その状態でV(ω)が最大と
なるように入射角を制御したときの入射角(すなわち正
入射角)は、コンピュータあるいは専用の演算装置な
どの演算装置17に入力される。この演算装置17において
は、上記の方位角θおよび入射角や波長λ等の値か
ら、既に述べたような手法により、屈折率nや吸収係数
k、さらには薄膜の厚みdが求められる。
The output signal of the photodetector 15 is subjected to a DC component V (DC), a ω component V (ω), and a 2ω component V by a signal component separation circuit 16.
(2ω) are separated and taken out. The signal component separation circuit 16 is configured by using a filter, a synchronous rectification circuit, or the like. Each component V (D obtained from the signal component separation circuit 16
C), V (ω), and V (2ω) signals (however, signals after synchronous rectification), the 2ω component V (2ω) is an incident angle control mechanism 18 for controlling the incident angle ψ 0 with respect to the sample 1. And is used to control the incident angle ψ 0 so that V (ω) is maximized. Here, the incident angle control mechanism 18
It is desirable to control not only the incident angle but also the specularly reflected light from the sample 1 to be incident on the optical system of the reflected light path. Therefore, for example, as shown in FIG. The angle of the system 19 and the reflected light path of the optical system 20 with respect to the sample 1 is controlled at the same time, or the angle of the sample base (not shown) holding the sample 1 and the angle of the optical system of the incident light path or the angle of the output light path are simultaneously controlled. It may be configured as follows. On the other hand, the direct current component V (DC) separated by the signal component separation circuit 16 is given to the photodetector 15 or an amplifier (not shown), and the sensitivity of the photodetector 15 and V (DC) are kept constant. The amplification factor is controlled. Furthermore, as described above, V
The azimuth angle θ when the azimuth angle of the linear polarization element 1 is controlled so that (2ω) becomes zero, and the incident angle (when the incidence angle is controlled so that V (ω) becomes maximum in that state ( That is, the positive incident angle) is input to a computing device 17 such as a computer or a dedicated computing device. In this arithmetic unit 17, the refractive index n, the absorption coefficient k, and the thickness d of the thin film are obtained from the above-described values of the azimuth angle θ, the incident angle, the wavelength λ, etc. by the method as described above.

第4図にはこの発明のエリプソメータの他の実施例
(第2発明の例)を示す。
FIG. 4 shows another embodiment (example of the second invention) of the ellipsometer of the present invention.

第4図のエリプソメータにおいては、位相変調素子13
は試料1に対する入射光路に配設されている。すなわち
直線偏光素子12と試料1との間に振幅δ、変調角周波
数ωなる位相変調素子13がその遅延軸方位が入射面に対
し+45゜もしくは−45゜となるように配置されている。
そして直線偏光素子12にはその偏光方位が0゜もしくは
90゜に固定されており、一方検光子14は初期状態でその
透過軸方位が+45゜もしくは−45゜となるようにされる
とともに、方位制御機構21により±45゜からθだけ回転
せしめられるようになっている。また信号成分分離回路
16から得られた同期整流後の2ω成分V(2ω)は、検
光子14の方位角を制御するために使用される。このほか
の構成は第3図の例と同様である。
In the ellipsometer shown in FIG. 4, the phase modulator 13
Are arranged in the incident optical path with respect to the sample 1. That is, the phase modulator 13 having an amplitude δ 0 and a modulation angular frequency ω is arranged between the linear polarization element 12 and the sample 1 such that the delay axis azimuth thereof is + 45 ° or −45 ° with respect to the incident surface.
The linear polarization element 12 has a polarization direction of 0 ° or
It is fixed at 90 °, while the analyzer 14 has its transmission axis azimuth set to + 45 ° or −45 ° in the initial state, and the azimuth control mechanism 21 rotates it from ± 45 ° to θ. It has become. In addition, the signal component separation circuit
The synchronously rectified 2ω component V (2ω) obtained from 16 is used to control the azimuth angle of the analyzer 14. Other configurations are the same as those in the example of FIG.

なお以上の各例において、光源部分のモノクロメータ
11として選択波長を可変とした回折格子等の素子を用
い、波長走査を行ないつつ測定を行なえば、偏光状態の
波長分散をも知ることができる。
In each of the above examples, the monochromator for the light source
If an element such as a diffraction grating having a variable selection wavelength is used as 11 and measurement is performed while performing wavelength scanning, the wavelength dispersion of the polarization state can also be known.

発明の効果 この発明のエリプソメータは、試料反射光もしくは試
料入射光に対し角周波数ωでの位相変調を行なって検出
光強度信号の直流成分、ω成分、2ω成分を分離して、
2ω成分が零となるように直線偏光素子もしくは検光子
の方位角θを制御し、その状態でω成分が最大となるよ
うに試料への入射角ψを制御(したがって正入射角
となるように制御)し、これらの回転角θおよび入射角
から試料の屈折率や厚みを求めるものであり、このよ
うに変調して信号成分の分離を行なうことは交流的な検
出を意味するから、従来の直流的な検出の場合と比較し
て背影光の影響などを格段に少なくしてS/Nを良好に
し、高精度で屈折率や厚みを求めることができる。
The ellipsometer of the present invention performs phase modulation on the sample reflected light or the sample incident light at the angular frequency ω to separate the DC component, ω component, and 2ω component of the detected light intensity signal,
2 The azimuth angle θ of the linear polarization element or analyzer is controlled so that the ω component becomes zero , and the incident angle ψ 0 on the sample is controlled so that the ω component becomes maximum in that state (thus, the positive incident angle is set. Control) to determine the refractive index and thickness of the sample from these rotation angle θ and incident angle. Since such modulation to separate the signal components means AC detection, Compared with the case of DC detection, the influence of back light etc. is significantly reduced to improve the S / N and the refractive index and thickness can be obtained with high accuracy.

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

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

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】直線偏光を試料面に入射せしめてその反射
光の偏光状態から試料面に関する値を測定するエリプソ
メータにおいて、 試料面への入射光の入射角ψを制御する入射角制御機
構を設け、かつ試料面への入射光の光路中に、試料面へ
の入射直線偏光の偏光方位を初期状態で入射面に対して
+45゜もしくは−45゜となるように直線偏光素子を配置
し、さらにこの直線偏光素子の方位を±45゜からθ゜だ
け回転させる方位制御機構を設け、試料面からの反射光
の光路中に、振幅δ、変調角周波数ωなる位相変調素
子をその遅延軸方位が入射面に対して+45゜もしくは−
45゜となるよう配置するとともに、その位相変調素子の
出射側に、透過軸が入射面に対して0゜もしくは90゜と
なるように検光子を配置し、さらにその検光子の出射側
に光を光電変換するための光検出器を配置し、その光検
出器の出力信号のω成分、2ω成分および直流成分をそ
れぞれ独立して取出すための信号成分分離回路を設け、
前記2ω成分が零となるように直線偏光素子の偏光方位
を回転させてそのときの±45゜からの回転角θで偏光方
位を固定し、かつその状態でω成分が最大となるように
入射角ψを制御して、そのときの回転角θおよび入射
角ψから試料面の屈折率および/または試料面の薄膜
の厚さを求めるようにしたことを特徴とするエリプソメ
ータ。
1. An ellipsometer for injecting linearly polarized light into a sample surface and measuring a value related to the sample surface from the polarization state of the reflected light, an incident angle control mechanism for controlling an incident angle ψ 0 of the incident light on the sample surface. A linear polarization element is provided so that the polarization direction of the linearly polarized light incident on the sample surface is + 45 ° or −45 ° with respect to the incident surface in the initial state in the optical path of the incident light on the sample surface. Further, an azimuth control mechanism for rotating the azimuth of this linear polarization element from ± 45 ° to θ ° is provided, and a phase modulation element having an amplitude δ 0 and a modulation angular frequency ω is provided in the optical axis of the reflected light from the sample surface with its delay axis Direction is + 45 ° or − with respect to the incident surface
At the same time, the analyzer is arranged so that the transmission axis is 0 ° or 90 ° with respect to the incident surface on the emission side of the phase modulation element, and the light is emitted on the emission side of the analyzer. And a signal component separation circuit for independently extracting the ω component, the 2ω component, and the DC component of the output signal of the photodetector.
The polarization azimuth of the linear polarization element is rotated so that the 2ω component becomes zero, the polarization azimuth is fixed at a rotation angle θ from ± 45 ° at that time, and the ω component is incident in such a state that the ω component becomes maximum. An ellipsometer, wherein the angle ψ 0 is controlled and the refractive index of the sample surface and / or the thickness of the thin film on the sample surface is obtained from the rotation angle θ and the incident angle ψ 0 at that time.
【請求項2】直線偏光を試料面に入射せしめてその反射
光の偏光状態から試料面に関する値を測定するエリプソ
メータにおいて、 試料面への入射光の入射角ψを制御する入射角制御機
構を設け、かつ試料面への入射光の光路中に、直線偏光
の偏光方位を入射面に対し0゜もしくは90゜となるよう
に直線偏光素子を配置するとともに、その直線偏光素子
と試料面との間に振幅δ、変調角周波数ωなる位相変
調素子をその遅延軸方位が入射面に対して+45゜もしく
は−45゜となるように配置し、試料面からの反射光の光
路中に、通過軸方位が初期状態で入射面に対して+45゜
もしくは−45゜となるように検光子を配置し、その検光
子には±45゜の方位からθ゜だけ回転させる方位制御機
構を設け、さらにその検光子の出射側に光を光電変換す
るための光検出器を配置し、その光検出器の出力信号の
ω成分、2ω成分および直流成分をそれぞれ独立して取
出すための信号成分分離回路を設け、さらに前記2ω成
分が零となうように検光子の方位を回転させてそのとき
の±45゜からの回転角θで偏光方位を固定し、かつその
状態でω成分が最大となるように入射角ψを制御し
て、そのときの回転角θおよび入射角ψから試料面の
屈折率および/または試料面の薄膜の厚さを求めるよう
にしたことを特徴とするエリプソメータ。
2. An ellipsometer for injecting linearly polarized light into a sample surface and measuring a value related to the sample surface from the polarization state of the reflected light thereof, an incident angle control mechanism for controlling an incident angle ψ 0 of the incident light on the sample surface. A linear polarizing element is provided so that the polarization direction of the linearly polarized light is 0 ° or 90 ° with respect to the incident surface in the optical path of the incident light to the sample surface, and the linear polarizing element and the sample surface are A phase modulator with an amplitude of δ 0 and a modulation angular frequency of ω is placed in such a way that its delay axis azimuth is + 45 ° or −45 ° with respect to the incident surface, and passes through the optical path of the reflected light from the sample surface. The analyzer is arranged so that the axial azimuth is + 45 ° or −45 ° with respect to the incident surface in the initial state, and the analyzer is provided with an azimuth control mechanism that rotates by θ ° from the ± 45 ° azimuth. The light is photoelectrically converted to the output side of the analyzer. And a signal component separation circuit for independently extracting the ω component, the 2ω component, and the DC component of the output signal of the photodetector, and further, so that the 2ω component becomes zero. The analyzer azimuth is rotated to fix the polarization azimuth at a rotation angle θ from ± 45 ° at that time, and the incident angle ψ 0 is controlled so that the ω component becomes maximum in that state, and the An ellipsometer characterized in that the refractive index of the sample surface and / or the thickness of the thin film on the sample surface is obtained from the rotation angle θ and the incident angle ψ 0 .
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