JP2001526383A - トロイダルミラー付きの反射分光光度装置 - Google Patents
トロイダルミラー付きの反射分光光度装置Info
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Abstract
(57)【要約】
装置は、任意の数の薄膜を有するサンプル（１６）を特徴付けるための反射分光光度法を使用する。この装置は、光学リレー内に２つのトロイダルミラー（３３，３４）を使用して、サンプル（１６）によって反射された光を分光光度計（２６）に向ける。次に、コンピュータがこの反射スペクトルを分析して、サンプル（１６）の光学特性を特徴付ける。光学リレーは、サンプル（１６）からの反射角に範囲を付けることができ、また色収差がない。色収差以外の収差を最小にするように、光学リレーを配置することもできる。サンプル（１６）を移動可能なステージ（１４）に設置して、サンプル（１６）の種々の部位を特徴付けることができる。さらに、デフレクタ（２４）およびビューアー（２８）を使用して、この装置のオペレータは検討中のサンプル（１６）の部位を観察することができる。
Description
【０００１】 関連する出願データ 本願は、１９９７年１２月９日に出願した同時係属の米国特許出願第08/987,9
07号、および１９９８年５月１５日に出願した、「トロイダルミラー付きの反射
分光光度装置（Reflectance Spectrophotometric Apparatus with Toroidal Mir
rors）」という名称の関連する一部継続出願の優先権を主張する。
07号、および１９９８年５月１５日に出願した、「トロイダルミラー付きの反射
分光光度装置（Reflectance Spectrophotometric Apparatus with Toroidal Mir
rors）」という名称の関連する一部継続出願の優先権を主張する。
【０００２】 発明の分野 本発明は一般に、材料の光学特性の特徴付けおよび薄膜の厚さと光学定数ｎお
よびｋの決定に関し、特に、薄膜を特徴付けるために反射分光光度法を使用する
色収差がない装置に関する。
よびｋの決定に関し、特に、薄膜を特徴付けるために反射分光光度法を使用する
色収差がない装置に関する。
【０００３】 背景 薄膜技術における最近の進歩によって、薄膜の特性を正確に測定することがま
すます重要になってきた。関心のある薄膜特性には、以下の項目が含まれる。 ・厚さ、ｄ ・屈折率、ｎ ・吸光係数、ｋ ・エネルギーバンドギャップ、Ｅｇ ・界面粗さ、σ
すます重要になってきた。関心のある薄膜特性には、以下の項目が含まれる。 ・厚さ、ｄ ・屈折率、ｎ ・吸光係数、ｋ ・エネルギーバンドギャップ、Ｅｇ ・界面粗さ、σ
【０００４】 屈折率ｎおよび吸光係数ｋは、含まれるフォトンのエネルギーＥに依存する。
すなわち、 n = n(E) および k = k(E) である。屈折率n(E)は、どれだけ光が材
料によって回折されるかを示している。同じ材料においては、n(E)は材料の密度
と共に増減する。吸光係数k(E)は、光の吸収に関する。吸光係数が大きな材料は
、吸光係数が小さな材料よりもより多くの光を吸収する。透明な材料は、可視光
の範囲では吸光係数はゼロである。エネルギーバンドギャップEgは、価電子帯か
ら伝導帯への直接的な電子項遷移に必要な最小なフォトンエネルギーを表す。す
なわち、 E < Eg の場合、直接的な電子項遷移による光の吸収はゼロである。
すなわち、 n = n(E) および k = k(E) である。屈折率n(E)は、どれだけ光が材
料によって回折されるかを示している。同じ材料においては、n(E)は材料の密度
と共に増減する。吸光係数k(E)は、光の吸収に関する。吸光係数が大きな材料は
、吸光係数が小さな材料よりもより多くの光を吸収する。透明な材料は、可視光
の範囲では吸光係数はゼロである。エネルギーバンドギャップEgは、価電子帯か
ら伝導帯への直接的な電子項遷移に必要な最小なフォトンエネルギーを表す。す
なわち、 E < Eg の場合、直接的な電子項遷移による光の吸収はゼロである。
【０００５】 一般に、上述した量を決定することは、非自明な問題である。フィルムのn(E)
スペクトルおよび k(E) スペクトルを直接測定することはできないため、光学測
定から推論しなければならない。Fo rouhi および Bloomerによる米国特許第4,9
05,170 号は、フィルムの反射スペクトルからこれらのスペクトルを決定するた めの方法を開示している。それらの方法には、光をフィルムに照射して、反射さ
れて戻る光の量を観察することが含まれる。反射スペクトルR(E)は、光の入射輝
度に対する反射輝度の比として定義される。R(E)は、フィルムの厚さｄ、フィル
ムの屈折率および吸光係数nf (E)およびkf (E)、基板のns (E)およびks (E)、フ
ィルムのバンドギャップエネルギー Eg 、およびフィルムの上部と下部の両方の
界面粗さσ1 およびσ2 だけでなく、フィルムへの光の入射角θにも依存する。
すべてのフィルムの特性を決定するためには、光学測定R(E)を固有のコンポーネ
ントｄ、nf (E)、kf (E)、ns (E)、ks (E)、σ1 およびσ2 にデコンボリュート
する必要がある。
スペクトルおよび k(E) スペクトルを直接測定することはできないため、光学測
定から推論しなければならない。Fo rouhi および Bloomerによる米国特許第4,9
05,170 号は、フィルムの反射スペクトルからこれらのスペクトルを決定するた めの方法を開示している。それらの方法には、光をフィルムに照射して、反射さ
れて戻る光の量を観察することが含まれる。反射スペクトルR(E)は、光の入射輝
度に対する反射輝度の比として定義される。R(E)は、フィルムの厚さｄ、フィル
ムの屈折率および吸光係数nf (E)およびkf (E)、基板のns (E)およびks (E)、フ
ィルムのバンドギャップエネルギー Eg 、およびフィルムの上部と下部の両方の
界面粗さσ1 およびσ2 だけでなく、フィルムへの光の入射角θにも依存する。
すべてのフィルムの特性を決定するためには、光学測定R(E)を固有のコンポーネ
ントｄ、nf (E)、kf (E)、ns (E)、ks (E)、σ1 およびσ2 にデコンボリュート
する必要がある。
【０００６】 Forouhi および Bloomerによる前述の特許は、界面粗さについてのパラメータ
で表示したモデルと共に、光学定数n(E)およびk(E)に対する定式化を、基板上の
フィルムに関するフレネル係数に組み入れて、理論的な反射率、すなわち、 Rtheory = Rtheory (E, θ, ｄ, nf (E), kf (E), ns (E)、ks (E), Eg ,σ1 ,
σ2 ) を説明するアルゴリズムを作成している。
で表示したモデルと共に、光学定数n(E)およびk(E)に対する定式化を、基板上の
フィルムに関するフレネル係数に組み入れて、理論的な反射率、すなわち、 Rtheory = Rtheory (E, θ, ｄ, nf (E), kf (E), ns (E)、ks (E), Eg ,σ1 ,
σ2 ) を説明するアルゴリズムを作成している。
【０００７】 理論的な反射率について結果として生じた方程式を、広帯域の反射率の実際の
測定値と比較することによって、薄膜特性についての必要なパラメータd, nf (E
), kf (E), Eg , σ1 およびσ2 を決定できる。
測定値と比較することによって、薄膜特性についての必要なパラメータd, nf (E
), kf (E), Eg , σ1 およびσ2 を決定できる。
【０００８】 反射率R(E)を測定するためには、光を光源によって発生させて、サンプルによ
って分光光度計に向けて反射させる必要がある。一般的には、レンズを使用して
、光を光源からサンプルに、またサンプルから分光光度計に向ける光学リレーを
作る。（光学リレーは、あるポイントにおいて別のポイントの光源からイメージ
を作るディバイスである。）コーティングの製作に使用される多くの異なる材料
には、紫外から赤外にわたる範囲の特性反射ピークがある。このため、サンプル
の反射スペクトルは、約190 nmから1100 nm の範囲の波長を測定する必要がある
。残念なことに、この高範囲にわたる波長に対して、単体レンズはかなりの量の
色収差を示す、すなわち、焦点距離は一般にスペクトルの一方の端部から他方の
端部まで約２０％変化する。このため、レンズを使用するどのような光学リレー
も、いくつかの波長においては他の波長におけるよりも効率的である。このこと
は、測定されたスペクトルはゆがめられることを意味する。
って分光光度計に向けて反射させる必要がある。一般的には、レンズを使用して
、光を光源からサンプルに、またサンプルから分光光度計に向ける光学リレーを
作る。（光学リレーは、あるポイントにおいて別のポイントの光源からイメージ
を作るディバイスである。）コーティングの製作に使用される多くの異なる材料
には、紫外から赤外にわたる範囲の特性反射ピークがある。このため、サンプル
の反射スペクトルは、約190 nmから1100 nm の範囲の波長を測定する必要がある
。残念なことに、この高範囲にわたる波長に対して、単体レンズはかなりの量の
色収差を示す、すなわち、焦点距離は一般にスペクトルの一方の端部から他方の
端部まで約２０％変化する。このため、レンズを使用するどのような光学リレー
も、いくつかの波長においては他の波長におけるよりも効率的である。このこと
は、測定されたスペクトルはゆがめられることを意味する。
【０００９】 Hopkins と Willis の米国特許第4,784,487 号は、この色収差をアパーチャを
巧みに使用することによって部分的に補償する分光光度測定用の光学リレーを説
明している。現在の状況では、このリレーには２つの問題点がある。第１は、リ
レーは反射測定ではなく透過測定用に開発されたことである。しかしながら、例
えリレーを反射測定用に適合しても、まだ小さなミスアライメントに対して極め
て敏感である。これは、サンプルによって反射された光ビームが分光光度計の入
射スリットに集束される場合、分光光度計に入射する光束は色については均一で
はなく、例えば、中心では赤であり、端部に向かって青になる。ミスアライメン
トが起こると、入射ビームは正確に入射スリットの中心には位置せずに、測定さ
れた光の輝度が増加するばかりでなく、青の赤に対する相対的な比が変化する。
このことは、この方法が反射スペクトルのすべての部分を等しく正確に測定する
ことに依存しているため、薄膜の特性を決定する上述した方法に対しては大打撃
である。従って、小さな避けることができないミスアライメントによって、間違
った薄膜の特徴付けを行ってしまうことになる。
巧みに使用することによって部分的に補償する分光光度測定用の光学リレーを説
明している。現在の状況では、このリレーには２つの問題点がある。第１は、リ
レーは反射測定ではなく透過測定用に開発されたことである。しかしながら、例
えリレーを反射測定用に適合しても、まだ小さなミスアライメントに対して極め
て敏感である。これは、サンプルによって反射された光ビームが分光光度計の入
射スリットに集束される場合、分光光度計に入射する光束は色については均一で
はなく、例えば、中心では赤であり、端部に向かって青になる。ミスアライメン
トが起こると、入射ビームは正確に入射スリットの中心には位置せずに、測定さ
れた光の輝度が増加するばかりでなく、青の赤に対する相対的な比が変化する。
このことは、この方法が反射スペクトルのすべての部分を等しく正確に測定する
ことに依存しているため、薄膜の特性を決定する上述した方法に対しては大打撃
である。従って、小さな避けることができないミスアライメントによって、間違
った薄膜の特徴付けを行ってしまうことになる。
【００１０】 図１は、材料の反射率R(E)を決定するための従来技術の装置を示す。この装置
は、Coatesによる米国特許第5,045,704 号およびカリフォルニア州、サニーベー
ル(Sunnyvale）のNanometrics Incorporatedから入手できる文献の中で説明され
ている。この装置は色収差の影響を受けない、その理由は、この装置が光源から
サンプルへ、またサンプルから分光光度計へ光を向けるために、レンズではなく
ミラーを使用しているためである。しかしながら、この装置には多くの弱点があ
る。この装置はビームスプリッタを使用していて、分光光度計に入射する光の輝
度は、ビームスプリッタを使用しない装置が得ることができる輝度のほぼ１／４
である。さらに、必要な範囲の波長を通じて効率的に動作するビームスプリッタ
を得ることは、困難である。
は、Coatesによる米国特許第5,045,704 号およびカリフォルニア州、サニーベー
ル(Sunnyvale）のNanometrics Incorporatedから入手できる文献の中で説明され
ている。この装置は色収差の影響を受けない、その理由は、この装置が光源から
サンプルへ、またサンプルから分光光度計へ光を向けるために、レンズではなく
ミラーを使用しているためである。しかしながら、この装置には多くの弱点があ
る。この装置はビームスプリッタを使用していて、分光光度計に入射する光の輝
度は、ビームスプリッタを使用しない装置が得ることができる輝度のほぼ１／４
である。さらに、必要な範囲の波長を通じて効率的に動作するビームスプリッタ
を得ることは、困難である。
【００１１】 図１の装置においては、ビューイング光学素子が含まれていて、測定する薄膜
の領域を目視的に検査できる。しかしながら、観察するイメージは、分光光度計
の入射アパーチャを取り巻く表面上に投影されたイメージである。このイメージ
の直径は 500ミクロンのオーダであり、このスケールではたいていの表面は著し
く粗い。従って、このイメージの外観は粒状である。
の領域を目視的に検査できる。しかしながら、観察するイメージは、分光光度計
の入射アパーチャを取り巻く表面上に投影されたイメージである。このイメージ
の直径は 500ミクロンのオーダであり、このスケールではたいていの表面は著し
く粗い。従って、このイメージの外観は粒状である。
【００１２】 さらに、図１の装置を使用する場合、分光光度計によって受光されるサンプル
からの光の反射角を変えることは困難である。ほぼゼロ゜の反射角では、反射率
Ｒの方程式はもっと大きな角度におけるものよりも簡単であり、このため、光学
特性の計算はより容易である。しかしながら、いくつかの異なる角度において反
射率Ｒが測定される場合、分析するためのより多くの情報が得られる。このため
、反射角の範囲が薄膜分析のために得られた情報を最適化するために調整される
ように、動作可能な光学リレーを使用することが好ましい。
からの光の反射角を変えることは困難である。ほぼゼロ゜の反射角では、反射率
Ｒの方程式はもっと大きな角度におけるものよりも簡単であり、このため、光学
特性の計算はより容易である。しかしながら、いくつかの異なる角度において反
射率Ｒが測定される場合、分析するためのより多くの情報が得られる。このため
、反射角の範囲が薄膜分析のために得られた情報を最適化するために調整される
ように、動作可能な光学リレーを使用することが好ましい。
【００１３】 材料の特性を決定するために使用される、反射分光光度法を使用する装置にお
いては、材料から反射された光は、収差が最小の光学リレーによって分光光度計
に向けられることが好ましい。第１に、前述したように、正確な測定を行うため
には、色収差を取り除くことが重要である。しかしながら、レンズやミラーには
、色収差でない別の収差も同じように含まれる。これらの収差には、球面収差、
コマ収差、非点収差、視野の曲率、およびゆがみが含まれる。すべてのレンズや
ミラーは、例え完全に機械加工されていても、ある程度これらの収差の影響を受
ける。これらの収差が存在することによって、レンズまたはミラーの性質につい
て基本的な制約が示される。この制約は、入門的なテキストの基本的な近似にお
いては無視される。関心のある薄膜が集積回路などのパターンを含むことが多い
ので、反射分光光度装置が、直径が50ミクロンのオーダの、薄膜の小さい領域を
、できるだけ少ない収差で分光光度計にイメージ形成できることが好ましい。こ
の装置がイメージ形成光学素子に対してフィルムを移動させるハードウェアを備
えて、フィルムの種々の領域の特性を決定できることも好ましい。
いては、材料から反射された光は、収差が最小の光学リレーによって分光光度計
に向けられることが好ましい。第１に、前述したように、正確な測定を行うため
には、色収差を取り除くことが重要である。しかしながら、レンズやミラーには
、色収差でない別の収差も同じように含まれる。これらの収差には、球面収差、
コマ収差、非点収差、視野の曲率、およびゆがみが含まれる。すべてのレンズや
ミラーは、例え完全に機械加工されていても、ある程度これらの収差の影響を受
ける。これらの収差が存在することによって、レンズまたはミラーの性質につい
て基本的な制約が示される。この制約は、入門的なテキストの基本的な近似にお
いては無視される。関心のある薄膜が集積回路などのパターンを含むことが多い
ので、反射分光光度装置が、直径が50ミクロンのオーダの、薄膜の小さい領域を
、できるだけ少ない収差で分光光度計にイメージ形成できることが好ましい。こ
の装置がイメージ形成光学素子に対してフィルムを移動させるハードウェアを備
えて、フィルムの種々の領域の特性を決定できることも好ましい。
【００１４】 目的および利点 従って、本発明の好ましい目的は、以下のような、薄膜のサンプルの特性を決
定するための、反射分光光度法を使用する装置を提供することである、すなわち
、 （ａ）この装置には、色収差がない； （ｂ）この装置は、色収差以外の収差が最小である； （ｃ）この装置は、できるだけ少ないコンポーネントしか備えていない； （ｄ）この装置は、調査中のサンプルの部分の鮮明なイメージを表示できる； （ｅ）この装置は、イメージ形成光学素子に対してサンプルを移動させるハー
ドウェアを備えている； （ｆ）この装置は、反射角が調整可能な範囲の光がサンプルから収集されるこ
とを可能にする。
定するための、反射分光光度法を使用する装置を提供することである、すなわち
、 （ａ）この装置には、色収差がない； （ｂ）この装置は、色収差以外の収差が最小である； （ｃ）この装置は、できるだけ少ないコンポーネントしか備えていない； （ｄ）この装置は、調査中のサンプルの部分の鮮明なイメージを表示できる； （ｅ）この装置は、イメージ形成光学素子に対してサンプルを移動させるハー
ドウェアを備えている； （ｆ）この装置は、反射角が調整可能な範囲の光がサンプルから収集されるこ
とを可能にする。
【００１５】 これらの目的によって、以下のような利点を有する反射分光光度法を使用する
装置が作成される、すなわち、 （ａ）この装置は、すべての波長において等しく正確であり、アライメントの
小さい変化は感じない； （ｂ）この装置を使用して、高い空間精度でサンプルの局部の反射率測定を行
うことができる； （ｃ）装置内の偽の光の損失を最小にする； （ｄ）装置のオペレータは、サンプルのどの領域を調査するかを容易に決定で
きる； （ｅ）サンプルの種々の領域を調査できる； （ｆ）サンプルからの光の反射角を選択して、サンプルの次の分析を最適化で
きる。
装置が作成される、すなわち、 （ａ）この装置は、すべての波長において等しく正確であり、アライメントの
小さい変化は感じない； （ｂ）この装置を使用して、高い空間精度でサンプルの局部の反射率測定を行
うことができる； （ｃ）装置内の偽の光の損失を最小にする； （ｄ）装置のオペレータは、サンプルのどの領域を調査するかを容易に決定で
きる； （ｅ）サンプルの種々の領域を調査できる； （ｆ）サンプルからの光の反射角を選択して、サンプルの次の分析を最適化で
きる。
【００１６】 要約 材料の光学特性を特徴付けるため、また薄膜の厚さおよび光学定数ｎおよびｋ
を決定するための装置が使用される。この装置は、広帯域の光ビームを発生する
光源、分析すべきサンプル上に光源をイメージ形成するように配置された光学素
子、およびサンプルの測定部位から反射された光を収集して、この光を分光光度
計に向ける光学リレーを備える。分光光度計に入射した光はディジタルデータに
変換され、分析のためにコンピュータに出力される。
を決定するための装置が使用される。この装置は、広帯域の光ビームを発生する
光源、分析すべきサンプル上に光源をイメージ形成するように配置された光学素
子、およびサンプルの測定部位から反射された光を収集して、この光を分光光度
計に向ける光学リレーを備える。分光光度計に入射した光はディジタルデータに
変換され、分析のためにコンピュータに出力される。
【００１７】 この光学リレーは、対称的に配置された２つのトロイダルミラーを備えている
。この光学リレーはミラーを使用するので、リレーには色収差がない。また、ト
ロイダルミラーを対称的に配置することによって、色収差以外の収差が大幅に解
消される。
。この光学リレーはミラーを使用するので、リレーには色収差がない。また、ト
ロイダルミラーを対称的に配置することによって、色収差以外の収差が大幅に解
消される。
【００１８】 この装置はデフレクタを、好ましくは移動可能なデフレクタを備えている。こ
のデフレクタは、サンプルの測定部位のイメージをビューアー、好ましくはＣＣ
Ｄカメラに投影するように配置できる。この装置を使用して分光光度法の測定を
行う場合は、測定部位から反射された光の経路の外にデフレクタを移動すること
ができる。このため、この装置は偽の光の損失の影響を受けない。
のデフレクタは、サンプルの測定部位のイメージをビューアー、好ましくはＣＣ
Ｄカメラに投影するように配置できる。この装置を使用して分光光度法の測定を
行う場合は、測定部位から反射された光の経路の外にデフレクタを移動すること
ができる。このため、この装置は偽の光の損失の影響を受けない。
【００１９】 サンプルは、移動可能なステージを備えるサンプルホルダに、交換できるよう
に取り付けられる。この移動可能なステージによって、サンプルを光学リレーに
対して移動させることができ、これにより、サンプルの種々の部位を調査するこ
とができる。さらに、光学リレーのトロイダルミラーの寸法および位置を変える
ことによって、サンプルからのすべての所望の範囲の反射角の光を分光光度計が
受光できる。
に取り付けられる。この移動可能なステージによって、サンプルを光学リレーに
対して移動させることができ、これにより、サンプルの種々の部位を調査するこ
とができる。さらに、光学リレーのトロイダルミラーの寸法および位置を変える
ことによって、サンプルからのすべての所望の範囲の反射角の光を分光光度計が
受光できる。
【００２０】 詳細な説明 図２ａは、装置の好ましい実施形態を示す。光源１０は、広帯域の光ビーム１
２を放射する。ビーム１２は広いスペクトルを有していて、波長が190 nmと1100 nm との間にあることが好ましい。ビーム１２は第１のトロイダルミラー３１に
よって反射されると共にコリメートされる。ビーム１２は、次に、第２のトロイ
ダルミラー３２によって反射され集束される。ビーム１２は、サンプル１６の照
明領域１８に入射する。
２を放射する。ビーム１２は広いスペクトルを有していて、波長が190 nmと1100 nm との間にあることが好ましい。ビーム１２は第１のトロイダルミラー３１に
よって反射されると共にコリメートされる。ビーム１２は、次に、第２のトロイ
ダルミラー３２によって反射され集束される。ビーム１２は、サンプル１６の照
明領域１８に入射する。
【００２１】 サンプル１６は、基板と、この基板上に置かれた少なくとも１つの薄膜とを含
むことが好ましい。ミラー３１および３２は共に、光源１０をサンプル１６上に
イメージ形成するための第１の光学リレー４０を形成する。
むことが好ましい。ミラー３１および３２は共に、光源１０をサンプル１６上に
イメージ形成するための第１の光学リレー４０を形成する。
【００２２】 好ましい実施形態においては、ビューイング部位２０は照明領域１８の中に含
まれる。ビューイング領域２０の直径は、500 ミクロン以下のオーダであること
が好ましい。図２ｂに示すように、ビューイング部位２０には、測定部位２１が
含まれる。測定部位２１は、直径が50ミクロン以下のオーダであることが好まし
い。好ましい実施形態においては、照明領域１８は、少なくともビューイング部
位２０と同じ大きさであり、サンプル１６の全体の領域と同じ大きさとすること
もできる。代わりの実施形態においては、照明領域１８は測定部位２１と同じぐ
らい小さく、また別の実施形態では、照明領域１８は測定部位２１よりも小さい
。
まれる。ビューイング領域２０の直径は、500 ミクロン以下のオーダであること
が好ましい。図２ｂに示すように、ビューイング部位２０には、測定部位２１が
含まれる。測定部位２１は、直径が50ミクロン以下のオーダであることが好まし
い。好ましい実施形態においては、照明領域１８は、少なくともビューイング部
位２０と同じ大きさであり、サンプル１６の全体の領域と同じ大きさとすること
もできる。代わりの実施形態においては、照明領域１８は測定部位２１と同じぐ
らい小さく、また別の実施形態では、照明領域１８は測定部位２１よりも小さい
。
【００２３】 図２ａを再度参照する。ビューイング部位２０によって反射された光源１０か
らの光は、反射ビーム２２を形成する。反射ビーム２２は、第３のトロイダルミ
ラー３３によって集光されると共にコリメートされる。次に、第４のトロイダル
ミラー３４はビーム２２を受光する。ビーム２２は、このミラー３４によって反
射され集束される。図２ａにおいては、ビーム２２はデフレクタ２４によって反
射され、ビューアー２８にほとんど入射する。このビューアー２８はビューイン
グ部位２０のイメージを受光して、ビューイング部位２０の拡大されたイメージ
を表示する。好ましい実施形態においては、ビューアー２８は電荷結合ディバイ
ス（ＣＣＤ）カメラである。デフレクタ２４は、ビーム２２の経路の中にまた経
路の外に移動させることができるミラーである。好ましい実施形態においては、
図示はしないが、デフレクタ２４を従来のスキャニングモータに取り付けて、こ
のデフレクタ２４を再現性よく移動できるようにする。別の実施形態においては
、デフレクタ２４はビームスプリッタである。
らの光は、反射ビーム２２を形成する。反射ビーム２２は、第３のトロイダルミ
ラー３３によって集光されると共にコリメートされる。次に、第４のトロイダル
ミラー３４はビーム２２を受光する。ビーム２２は、このミラー３４によって反
射され集束される。図２ａにおいては、ビーム２２はデフレクタ２４によって反
射され、ビューアー２８にほとんど入射する。このビューアー２８はビューイン
グ部位２０のイメージを受光して、ビューイング部位２０の拡大されたイメージ
を表示する。好ましい実施形態においては、ビューアー２８は電荷結合ディバイ
ス（ＣＣＤ）カメラである。デフレクタ２４は、ビーム２２の経路の中にまた経
路の外に移動させることができるミラーである。好ましい実施形態においては、
図示はしないが、デフレクタ２４を従来のスキャニングモータに取り付けて、こ
のデフレクタ２４を再現性よく移動できるようにする。別の実施形態においては
、デフレクタ２４はビームスプリッタである。
【００２４】 図３ａにおいては、デフレクタ２４はビーム２２の経路から取り除かれている
ため、ビーム２２はビューアー２８には入射しないが、分光光度計２６の入射ア
パーチャ２７上に集束する。好ましい実施形態においては、アパーチャ２７は十
分に小さいため、ビーム２２が分光光度計２６に入射するとき、ビーム２２を部
分的にブロックする。この実施形態では、測定部位２１からの光のみが、分光光
度計２６に入射する。すなわち、測定部位２１がアパーチャ２７上にイメージ形
成される。分光光度計２６に入射する光は、図３ｂに示すように、信号ビーム２
３を形成する。アパーチャ２７の直径は、約50ミクロンであることが好ましい。
別の実施形態においては、アパーチャ２７はどのような所望の寸法であってもよ
い。
ため、ビーム２２はビューアー２８には入射しないが、分光光度計２６の入射ア
パーチャ２７上に集束する。好ましい実施形態においては、アパーチャ２７は十
分に小さいため、ビーム２２が分光光度計２６に入射するとき、ビーム２２を部
分的にブロックする。この実施形態では、測定部位２１からの光のみが、分光光
度計２６に入射する。すなわち、測定部位２１がアパーチャ２７上にイメージ形
成される。分光光度計２６に入射する光は、図３ｂに示すように、信号ビーム２
３を形成する。アパーチャ２７の直径は、約50ミクロンであることが好ましい。
別の実施形態においては、アパーチャ２７はどのような所望の寸法であってもよ
い。
【００２５】 信号ビーム２３のスペクトルは、分光光度計２６によって測定される。分光光
度計２６は信号ビーム２３内に存在する種々の波長の光の輝度を記録し、その結
果は電子的にコンピュータ３０に転送される。コンピュータ３０はプログラムを
使用して、信号ビーム２３の測定されたスペクトルを、サンプル１６の特性を形
作るパラメータに基づいて、同じスペクトルの理論的な予測値と比較する。コン
ピュータ３０はこれらのパラメータを調整して、理論的なスペクトルを観察され
たスペクトルに適合させる。次に、測定部位２１は、観察された反射スペクトル
に最も適したパラメータによって特性が決定される。
度計２６は信号ビーム２３内に存在する種々の波長の光の輝度を記録し、その結
果は電子的にコンピュータ３０に転送される。コンピュータ３０はプログラムを
使用して、信号ビーム２３の測定されたスペクトルを、サンプル１６の特性を形
作るパラメータに基づいて、同じスペクトルの理論的な予測値と比較する。コン
ピュータ３０はこれらのパラメータを調整して、理論的なスペクトルを観察され
たスペクトルに適合させる。次に、測定部位２１は、観察された反射スペクトル
に最も適したパラメータによって特性が決定される。
【００２６】 サンプル１６は、サンプルホルダ１４に取り外し自在に取り付けられる。好ま
しい実施形態においては、ホルダ１４は、移動可能なステージ１５および固定ス
テージ１３から成る。サンプル１６は、ホルダ１４の移動可能なステージ１５に
取り付けられている。移動可能なステージ１５によって、図２ａに示すように、
サンプル１６をミラー３３に対してｘおよびｙ方向に移動させることができる。
この移動によって、サンプル１６の種々の部位を調査することができる。好まし
い実施形態においては、ホルダ１４は従来のｘｙステージである。別の実施形態
では、ミラー３３および３４、デフレクタ２４、ビューアー２８、および分光光
度計２６が移動可能なステージに取り付けられて、サンプル１６は固定されたま
まである。さらに別の実施形態においては、光源１０を移動できる。
しい実施形態においては、ホルダ１４は、移動可能なステージ１５および固定ス
テージ１３から成る。サンプル１６は、ホルダ１４の移動可能なステージ１５に
取り付けられている。移動可能なステージ１５によって、図２ａに示すように、
サンプル１６をミラー３３に対してｘおよびｙ方向に移動させることができる。
この移動によって、サンプル１６の種々の部位を調査することができる。好まし
い実施形態においては、ホルダ１４は従来のｘｙステージである。別の実施形態
では、ミラー３３および３４、デフレクタ２４、ビューアー２８、および分光光
度計２６が移動可能なステージに取り付けられて、サンプル１６は固定されたま
まである。さらに別の実施形態においては、光源１０を移動できる。
【００２７】 ミラー３３および３４は、ビューイング部位２０からアパーチャ２７に光を向
けるための第２の光学リレー４２を形成する。ミラー３１は、図３ａに示すよう
に、ミラー３１の中心に直角で反射面から外側に向けられた光軸Ａ１を有してい
る。同様に、ミラー３２，３３および３４は、それぞれ、光軸Ａ２，Ａ３および
Ａ４を有している。
けるための第２の光学リレー４２を形成する。ミラー３１は、図３ａに示すよう
に、ミラー３１の中心に直角で反射面から外側に向けられた光軸Ａ１を有してい
る。同様に、ミラー３２，３３および３４は、それぞれ、光軸Ａ２，Ａ３および
Ａ４を有している。
【００２８】 ミラー３１，３２，３３および３４はトロイダルミラーであり、これはそれぞ
れのミラーが２つの異なる曲率半径を持っていることを意味する。ビーム１２お
よび２２を含むプレーンは、接平面と呼ばれる。光軸Ａ１を含む接平面に垂直な
プレーンは、ミラー３１の矢状面である。同様に、ミラー３２，３３および３４
は、それぞれ、それ自体の矢状面を有している。図４は、２つの曲率半径、すな
わち、接平面の曲率半径 Rt および矢状面の曲率半径 Rs 、を有する一般的なト
ロイダルミラーを示している。
れのミラーが２つの異なる曲率半径を持っていることを意味する。ビーム１２お
よび２２を含むプレーンは、接平面と呼ばれる。光軸Ａ１を含む接平面に垂直な
プレーンは、ミラー３１の矢状面である。同様に、ミラー３２，３３および３４
は、それぞれ、それ自体の矢状面を有している。図４は、２つの曲率半径、すな
わち、接平面の曲率半径 Rt および矢状面の曲率半径 Rs 、を有する一般的なト
ロイダルミラーを示している。
【００２９】 図５は、光学リレー４０および４２の詳細を示す。サンプル１６への法線に対
して測定された中心入射角θcentral で、ビーム１２はサンプル１６に入射する
。好ましい実施形態においては、光学リレー４０はトロイダルミラー３１および
３２を備える。代わりの実施形態においては、光学リレー４０は単一のトロイダ
ルミラーを備えている。別の実施形態では、光学リレー４０は光ファイバーやレ
ンズなどのいくつかの標準的な光学素子を備えて、光源１０をサンプル１６上に
イメージ形成する。これらすべての実施形態においては、光源１０からの光は、
平均入射角θcentral でサンプル１６に入射する。
して測定された中心入射角θcentral で、ビーム１２はサンプル１６に入射する
。好ましい実施形態においては、光学リレー４０はトロイダルミラー３１および
３２を備える。代わりの実施形態においては、光学リレー４０は単一のトロイダ
ルミラーを備えている。別の実施形態では、光学リレー４０は光ファイバーやレ
ンズなどのいくつかの標準的な光学素子を備えて、光源１０をサンプル１６上に
イメージ形成する。これらすべての実施形態においては、光源１０からの光は、
平均入射角θcentral でサンプル１６に入射する。
【００３０】 図５は、ビーム２２がビューイング部位２０から離れて光学リレー４２に入射
する場合の、ビーム２２の経路を示している。ビーム２２のミラー３３に対する
入射角はφである。ミラー３３についての矢状面の曲率半径の接平面の曲率半径
に対する比 Rs /Rt は次の式で与えられる。
する場合の、ビーム２２の経路を示している。ビーム２２のミラー３３に対する
入射角はφである。ミラー３３についての矢状面の曲率半径の接平面の曲率半径
に対する比 Rs /Rt は次の式で与えられる。
【００３１】 cosφ = (Rs /Rt )1/2 ビーム２２のミラー３４に対する入射角はφ' である。ミラー３４についての
矢状面の曲率半径と接平面の曲率半径 Rs ' および Rt ' は、次式の関係がある
。
矢状面の曲率半径と接平面の曲率半径 Rs ' および Rt ' は、次式の関係がある
。
【００３２】 cosφ' = (Rs '/Rt ')1/2 好ましい実施形態においては、ミラー３３および３４は同一で、φ =φ' = 45
゜である。従って、Rs /Rt = Rs '/ Rt ' = 1/2 である。この実施形態では、 光軸Ａ３は光軸Ａ４に対して逆平行である。すなわち光軸Ａ３およびＡ４は平行
であり、逆方向を向いている。ビーム２２はミラー３３と３４との間では平行で
ある。言い換えると、ミラー３３は無限大の位置にイメージを形成する。
゜である。従って、Rs /Rt = Rs '/ Rt ' = 1/2 である。この実施形態では、 光軸Ａ３は光軸Ａ４に対して逆平行である。すなわち光軸Ａ３およびＡ４は平行
であり、逆方向を向いている。ビーム２２はミラー３３と３４との間では平行で
ある。言い換えると、ミラー３３は無限大の位置にイメージを形成する。
【００３３】 図５に示すように、ビーム２２の中心は、サンプル１６からミラー３３の中心
まで距離ｓ移動する。ミラー３３の矢状面の曲率半径は、次の式によって与えら
れる。
まで距離ｓ移動する。ミラー３３の矢状面の曲率半径は、次の式によって与えら
れる。
【００３４】 2cosφ / Rs = 1/s 同様に、ビーム２２はミラー３４の中心からアパーチャ２７まで距離s'移動す
る。このため、ミラー３４の矢状面の曲率半径は、次の式によって与えられる。
る。このため、ミラー３４の矢状面の曲率半径は、次の式によって与えられる。
【００３５】 2cosφ' / Rs ' = 1/s' 好ましい実施形態においては、s = s'また Rs = Rs 'である。 代わりの実施形態においては、s ≠ s' であり、ミラー３３および３４は同一
ではない。ある実施形態では、測定部位２１は、アパーチャ２７上にイメージ形
成される場合に拡大される。別の実施形態では、測定部位２１の縮小されたイメ
ージがアパーチャ２７に現れる。
ではない。ある実施形態では、測定部位２１は、アパーチャ２７上にイメージ形
成される場合に拡大される。別の実施形態では、測定部位２１の縮小されたイメ
ージがアパーチャ２７に現れる。
【００３６】 図５を再度参照する。ビーム２２は法線Ｎに対して角度範囲を作る、すなわち
、これらの角度はθmin とθmax との間にある。すなわち、ミラー３３は、θmi n からθmax にわたる範囲の反射角の反射光をサンプル１６から受光する。反射
角の平均はθcentral であり、ここでθcentral = (θmax + θmin )/2 である
。ミラー３３の長さはＬであり、ミラー３３の中心のビューイング部位２０の中
心からの横方向の距離はｐである。ミラー３４はミラー３３から距離Ｄ離れてい
る。
、これらの角度はθmin とθmax との間にある。すなわち、ミラー３３は、θmi n からθmax にわたる範囲の反射角の反射光をサンプル１６から受光する。反射
角の平均はθcentral であり、ここでθcentral = (θmax + θmin )/2 である
。ミラー３３の長さはＬであり、ミラー３３の中心のビューイング部位２０の中
心からの横方向の距離はｐである。ミラー３４はミラー３３から距離Ｄ離れてい
る。
【００３７】 図５および基本的な幾何学的配置から、所望の角度θmin およびθmax を得る
ために、どのようにＬ，ｐおよびｓを調整できるかは明白である。好ましい実施
形態においては、10゜以下のθmax を使用して、その後の分析を簡単にする、そ
の理由は、θmax がそのように小さい場合、θmin とθmax との間のそれぞれの
角度における反射率はほぼ同一であるからである。θmax の角度が大きい場合、
ビーム２２のすべてがサンプル１６から同じ角度では出射しないという事実を、
考慮しなければならないであろう。さらに、θmax ≦ 10゜の場合、反射率はビ
ーム２２の偏光とはほぼ無関係である。別の実施形態では、θmax > 10゜を使
用して、θmax ≦ 10゜での測定から得られる情報よりも、サンプル１６につい
てもっと多くの情報を得ている。
ために、どのようにＬ，ｐおよびｓを調整できるかは明白である。好ましい実施
形態においては、10゜以下のθmax を使用して、その後の分析を簡単にする、そ
の理由は、θmax がそのように小さい場合、θmin とθmax との間のそれぞれの
角度における反射率はほぼ同一であるからである。θmax の角度が大きい場合、
ビーム２２のすべてがサンプル１６から同じ角度では出射しないという事実を、
考慮しなければならないであろう。さらに、θmax ≦ 10゜の場合、反射率はビ
ーム２２の偏光とはほぼ無関係である。別の実施形態では、θmax > 10゜を使
用して、θmax ≦ 10゜での測定から得られる情報よりも、サンプル１６につい
てもっと多くの情報を得ている。
【００３８】 サンプルの開口数（Ｎ．Ａ．）は、以下の式のように定義できる。 N.A.sample = sin [(θmax - θmin ) / 2 ] この開口数は、光学リレー４２によってイメージ形成された、サンプル１６か
ら放射される円錐の光の角度の広がりを示す。
ら放射される円錐の光の角度の広がりを示す。
【００３９】 リレー４２はミラーを備えているがレンズはないので、リレー４２には色収差
はない。さらに、光学リレー４２の好ましい実施形態においては、ミラー３３お
よび３４を対称的に配置することによって、ミラー３４はミラー３３の色収差以
外の収差を部分的にキャンセルできる。残っている収差の程度は、理想化された
モデルから推定することができる。数値的な研究が光学リレー４２に対して次の
パラメータを用いて行われた、すなわち、θcentral = 0゜， s = s' = 53mm，
D = 48.15mm，φ =φ' = 45゜， Rt = Rt ' = 150mm， Rs = Rs ' = 75mm，お
よび光学リレー４２のＦナンバーは 4。このＦナンバーは、１よりはるかに小さ
いN.A.sampleに対して、次の式によってN.A.sampleに関係する。
はない。さらに、光学リレー４２の好ましい実施形態においては、ミラー３３お
よび３４を対称的に配置することによって、ミラー３４はミラー３３の色収差以
外の収差を部分的にキャンセルできる。残っている収差の程度は、理想化された
モデルから推定することができる。数値的な研究が光学リレー４２に対して次の
パラメータを用いて行われた、すなわち、θcentral = 0゜， s = s' = 53mm，
D = 48.15mm，φ =φ' = 45゜， Rt = Rt ' = 150mm， Rs = Rs ' = 75mm，お
よび光学リレー４２のＦナンバーは 4。このＦナンバーは、１よりはるかに小さ
いN.A.sampleに対して、次の式によってN.A.sampleに関係する。
【００４０】 Ｆナンバー = 1/(2 N.A.sample) 第１の数値シミュレーションでは、測定部位２１の中心における単一なポイン
トが、光学リレー４２によってイメージ形成される。図６ａは、結果として生じ
たスポット図を示す。図６ａの各クロスは、ミラー３３およびミラー３４上の種
々のポイントを経由して、アパーチャ２７に達した光束を示している。収差がな
い場合は、単一のクロスのみが図６ａの中心に現れる。
トが、光学リレー４２によってイメージ形成される。図６ａは、結果として生じ
たスポット図を示す。図６ａの各クロスは、ミラー３３およびミラー３４上の種
々のポイントを経由して、アパーチャ２７に達した光束を示している。収差がな
い場合は、単一のクロスのみが図６ａの中心に現れる。
【００４１】 図６ａのスポット図は、幾何学的な光学素子の法則を用いて数理的に生成され
た。しかしながら、光の波動の性質も考慮しなければならない。基準とするため
に、エアリーの円盤６０が図６ａに含まれる。物理的なシステムでは、図６ａの
それぞれのクロスは、回折効果のために、ほぼエアリーの円盤６０の寸法までぼ
けている。エアリーの円盤６０の直径は、含まれている光の波長に依存し、 (2.
44)・λ・(Ｆナンバー) に等しい。ここで、λは光の波長である。エアリーの円盤
６０については、λ = 550nmを使用した。
た。しかしながら、光の波動の性質も考慮しなければならない。基準とするため
に、エアリーの円盤６０が図６ａに含まれる。物理的なシステムでは、図６ａの
それぞれのクロスは、回折効果のために、ほぼエアリーの円盤６０の寸法までぼ
けている。エアリーの円盤６０の直径は、含まれている光の波長に依存し、 (2.
44)・λ・(Ｆナンバー) に等しい。ここで、λは光の波長である。エアリーの円盤
６０については、λ = 550nmを使用した。
【００４２】 サンプル１６上に測定部位２１の中心を原点にして、座標軸を設定した。ｘ軸
は図５のページの外側に向き、ｙ軸は右側に向いている。ｘ軸とｙ軸の方向につ
いては、図２も参照されたい。図６ａは、ｘ＝ｙ＝０における単一なポイントか
ら発生している。図６ｂおよび図６ｃは、それぞれ、x = 0, y = .1mm,および x
= .1mm, y = 0におけるポイントソースについての類似のスポット図である。
は図５のページの外側に向き、ｙ軸は右側に向いている。ｘ軸とｙ軸の方向につ
いては、図２も参照されたい。図６ａは、ｘ＝ｙ＝０における単一なポイントか
ら発生している。図６ｂおよび図６ｃは、それぞれ、x = 0, y = .1mm,および x
= .1mm, y = 0におけるポイントソースについての類似のスポット図である。
【００４３】 光学リレー４２の好ましい実施形態の収差を、光学リレー４２の第２の実施形
態の収差と比較することができる。図７は光学リレー４２の第２の実施形態を示
しており、この実施形態はわずか１つのトロイダルミラー５１しか備えていない
。ビーム２２はサンプル１６からミラー５１まで距離d1を、ミラー５１からアパ
ーチャ２７まで距離d2を移動する。ビーム２２のミラー５１上での入射角はΨで
ある。
態の収差と比較することができる。図７は光学リレー４２の第２の実施形態を示
しており、この実施形態はわずか１つのトロイダルミラー５１しか備えていない
。ビーム２２はサンプル１６からミラー５１まで距離d1を、ミラー５１からアパ
ーチャ２７まで距離d2を移動する。ビーム２２のミラー５１上での入射角はΨで
ある。
【００４４】 図７の第２の実施形態の収差についての数値シミュレーションでは、次の値が
選択された、すなわち、d1 = d2 = 106mm, Ψ = 45゜, およびＦナンバーが 4
。さらに、ミラーの接平面の曲率半径は150mm に等しく、矢状面の曲率半径は75
mmである。図８ａは、サンプル１６上のx = y = 0 におけるポイントから結果と
して生じたスポット図である。図８ｂおよび図８ｃは、それぞれ、x = 0, y = .
1mm,および x = .1mm, y = 0の場合のスポット図である。基準とするために、エ
アリーの円盤６０も図８ａ〜図８ｃに示す。
選択された、すなわち、d1 = d2 = 106mm, Ψ = 45゜, およびＦナンバーが 4
。さらに、ミラーの接平面の曲率半径は150mm に等しく、矢状面の曲率半径は75
mmである。図８ａは、サンプル１６上のx = y = 0 におけるポイントから結果と
して生じたスポット図である。図８ｂおよび図８ｃは、それぞれ、x = 0, y = .
1mm,および x = .1mm, y = 0の場合のスポット図である。基準とするために、エ
アリーの円盤６０も図８ａ〜図８ｃに示す。
【００４５】 図８ａ〜図８ｃのスポットの広がりは、それぞれ、図６ａ〜図６ｃにおける広
がりよりもかなり大きい。従って、図５の好ましい実施形態の２個ミラー構成は
、図７の第２の実施形態の単一ミラー構成よりも収差は小さい。明らかに、好ま
しい実施形態においては、ミラー３４はミラー３３に起因したある程度の収差を
部分的にキャンセルする。
がりよりもかなり大きい。従って、図５の好ましい実施形態の２個ミラー構成は
、図７の第２の実施形態の単一ミラー構成よりも収差は小さい。明らかに、好ま
しい実施形態においては、ミラー３４はミラー３３に起因したある程度の収差を
部分的にキャンセルする。
【００４６】 サンプル１６によって反射された光のスペクトルは、信号ビーム２３として分
光光度計２６に入射する。分光光度計２６が収集した反射スペクトルによって与
えられた、サンプル１６の絶対反射率R(E)についての値を得る方法は、この分野
では周知である。これらの技術には、サンプル１６を周知の反射率を持つ基準サ
ンプルと置き換えること、次に、この基準サンプルの反射スペクトルをサンプル
１６の反射スペクトルと比較することが含まれる。
光光度計２６に入射する。分光光度計２６が収集した反射スペクトルによって与
えられた、サンプル１６の絶対反射率R(E)についての値を得る方法は、この分野
では周知である。これらの技術には、サンプル１６を周知の反射率を持つ基準サ
ンプルと置き換えること、次に、この基準サンプルの反射スペクトルをサンプル
１６の反射スペクトルと比較することが含まれる。
【００４７】 分光光度計２６によって収集されたデータは、コンピュータ３０に出力される
。このコンピュータ３０はコンピュータのプログラムを使用して、このデータを
データの理論モデルと比較する。好ましい実施形態においては、コンピュータの
プログラムは、測定された絶対反射率R(E)を理論的な反射率 Rtheory(E) と比較
する。この理論モデルは、角度θmin およびθmax 、ならびにサンプル１６の屈
折率n(E)および吸光係数k(E)に依存する。この理論モデルを n(E) および k(E)
の種々の値のデータと比較することによって、コンピュータのプログラムはサン
プル１６を最も良く説明する関数 n(E) および k(E) を決定する。
。このコンピュータ３０はコンピュータのプログラムを使用して、このデータを
データの理論モデルと比較する。好ましい実施形態においては、コンピュータの
プログラムは、測定された絶対反射率R(E)を理論的な反射率 Rtheory(E) と比較
する。この理論モデルは、角度θmin およびθmax 、ならびにサンプル１６の屈
折率n(E)および吸光係数k(E)に依存する。この理論モデルを n(E) および k(E)
の種々の値のデータと比較することによって、コンピュータのプログラムはサン
プル１６を最も良く説明する関数 n(E) および k(E) を決定する。
【００４８】 好ましい実施形態においては、サンプル１６は少なくとも１つの薄膜を備えて
おり、理論モデルは各フィルムの厚さ、屈折率、および吸光係数に依存する。コ
ンピュータのプログラムは、データに最も良く適合する各フィルムの厚さ、吸光
係数、および屈折率の値を決定する。次の実施例では、サンプル１６は測定部位
２１に１つの薄膜と基板のみを含んでいる。
おり、理論モデルは各フィルムの厚さ、屈折率、および吸光係数に依存する。コ
ンピュータのプログラムは、データに最も良く適合する各フィルムの厚さ、吸光
係数、および屈折率の値を決定する。次の実施例では、サンプル１６は測定部位
２１に１つの薄膜と基板のみを含んでいる。
【００４９】 実施例： n(E) および k(E) は、それぞれ、フィルムの屈折率および吸光係数
を意味する。理論反射率 Rtheory (E)は、基板の屈折率および吸光係数、それぞ
れ、 ns (E) および ks (E) だけではなく、薄膜の厚さｄにも依存する。このた
め、Rth eory (E) = Rtheory (E, θmin , θmax , d, n(E), k(E), ns (E), ks (E))である。Rtheory (E) は、別のパラメータにも依存することがある。θmax ≦10゜の場合、Rtheory (E) は以下のように表される。薄膜の複合屈折率N(E) は、N(E) = n(E) - ik(E) として定義される。類似の複合屈折率は、ビーム１２
および２２が通過する周囲の媒体Na (E) に対してのみならず、基板Ns (E)に対
しても定義される。好ましい周囲媒体は空気である。θmax ≦10゜で１つの薄膜
の場合の理論反射率は、以下のように表される。
を意味する。理論反射率 Rtheory (E)は、基板の屈折率および吸光係数、それぞ
れ、 ns (E) および ks (E) だけではなく、薄膜の厚さｄにも依存する。このた
め、Rth eory (E) = Rtheory (E, θmin , θmax , d, n(E), k(E), ns (E), ks (E))である。Rtheory (E) は、別のパラメータにも依存することがある。θmax ≦10゜の場合、Rtheory (E) は以下のように表される。薄膜の複合屈折率N(E) は、N(E) = n(E) - ik(E) として定義される。類似の複合屈折率は、ビーム１２
および２２が通過する周囲の媒体Na (E) に対してのみならず、基板Ns (E)に対
しても定義される。好ましい周囲媒体は空気である。θmax ≦10゜で１つの薄膜
の場合の理論反射率は、以下のように表される。
【００５０】 Rtheory (E) = |(r12 + r23e-iδ)/(1 + r12r23e-iδ)|2 ここで、r12 = [N(E) _ Na (E)]/[N(E) + Na (E)]
【００５１】 r23 = [Ns (E) - N(E)]/[Ns (E) + N (E)] および δ = d(4πE/hc)N(E) ここで、ｈはプランク定数であり、ｃは光速である。Rtheory (E) をR(E)と比較
することによって、コンピュータのプログラムは、薄膜を最も良く説明するd, n
(E),および k(E) の値を決定する。これにより、実施例を締めくくる。
することによって、コンピュータのプログラムは、薄膜を最も良く説明するd, n
(E),および k(E) の値を決定する。これにより、実施例を締めくくる。
【００５２】 θmax > 10゜の場合、またサンプル１６が１つ以上の薄膜を有する場合のよ
うに、上述した実施例よりもより複雑な場合についてのRtheory (E) を計算する
方法は、この分野では周知である。この問題についての情報は、O.S. Heavensに
よる「Optical Prop erties of Thin Solid Films (Butterworth, London, 1955
)」の中に見出される。
うに、上述した実施例よりもより複雑な場合についてのRtheory (E) を計算する
方法は、この分野では周知である。この問題についての情報は、O.S. Heavensに
よる「Optical Prop erties of Thin Solid Films (Butterworth, London, 1955
)」の中に見出される。
【００５３】 好ましい実施形態においては、周知の技術を用いて、コンピュータのプログラ
ムは、測定部位２１の各フィルムのそれぞれの表面の界面粗さをもRtheory (E)
の計算に組み込む。Rtheory (E) とR(E)との間の差を最小にすることによって、
界面粗さもこれにより決定する。
ムは、測定部位２１の各フィルムのそれぞれの表面の界面粗さをもRtheory (E)
の計算に組み込む。Rtheory (E) とR(E)との間の差を最小にすることによって、
界面粗さもこれにより決定する。
【００５４】 コンピュータのプログラムは、n(E)および k(E) の数学的パラメータ表示を使
用する。それぞれのパラメータ表示は、少なくとも３つのパラメータＡ，Ｂおよ
びＣに依存することが好ましい、すなわち、Ａは電子がサンプル内で初期状態か
ら最終状態への遷移を受ける可能性に関係する可能性の項であり、Ｂはサンプル
内の電子の初期エネルギーと最終エネルギーとの間の差に関係するエネルギーの
項であり、またＣはサンプル内の電子が最終状態に残る時間に関係する寿命の項
である。例えば、アモルファス材料については、吸光係数k(E)は次の式のように
パラメータ表示できる。
用する。それぞれのパラメータ表示は、少なくとも３つのパラメータＡ，Ｂおよ
びＣに依存することが好ましい、すなわち、Ａは電子がサンプル内で初期状態か
ら最終状態への遷移を受ける可能性に関係する可能性の項であり、Ｂはサンプル
内の電子の初期エネルギーと最終エネルギーとの間の差に関係するエネルギーの
項であり、またＣはサンプル内の電子が最終状態に残る時間に関係する寿命の項
である。例えば、アモルファス材料については、吸光係数k(E)は次の式のように
パラメータ表示できる。
【００５５】 k(E) = A (E _ Eg )2 / (E2 - B E + C) ここで、Eg はサンプル１６のバンドギャップエネルギーである。種々の材料に
ついての別の多くのパラメータ表示は、この分野では周知であり、Forouhi およ
び Bloomerによる米国特許第4,905,170 号の中で説明されている。コンピュータ
のプログラムは、サンプル１６を構成する材料に最も適したパラメータ表示を使
用する。屈折率n(E)は、周知の分散関係式を用いて、k(E)から決定することがで
きる。
ついての別の多くのパラメータ表示は、この分野では周知であり、Forouhi およ
び Bloomerによる米国特許第4,905,170 号の中で説明されている。コンピュータ
のプログラムは、サンプル１６を構成する材料に最も適したパラメータ表示を使
用する。屈折率n(E)は、周知の分散関係式を用いて、k(E)から決定することがで
きる。
【００５６】 n(E)および k(E) のパラメータ表示を用いて、コンピュータのプログラムは任
意の標準的なカーブ適合ルーチンを使用して、データを最も良く記述するパラメ
ータを見出す。複数の薄膜を備えるために前述した説明を一般化する方法は、当
業者には明らかであろう。従って、測定部位２１に存在するそれぞれのフィルム
の屈折率、吸光係数、および厚さを決定するために、コンピュータのプログラム
が容易に使用される。ある実施形態においては、測定部位２１には薄膜がない。
この場合は、コンピュータのプログラムは測定部位２１に存在する材料の屈折率
および吸光係数を決定する。
意の標準的なカーブ適合ルーチンを使用して、データを最も良く記述するパラメ
ータを見出す。複数の薄膜を備えるために前述した説明を一般化する方法は、当
業者には明らかであろう。従って、測定部位２１に存在するそれぞれのフィルム
の屈折率、吸光係数、および厚さを決定するために、コンピュータのプログラム
が容易に使用される。ある実施形態においては、測定部位２１には薄膜がない。
この場合は、コンピュータのプログラムは測定部位２１に存在する材料の屈折率
および吸光係数を決定する。
【００５７】 サンプル１６の光学特性を正確に決定するためには、光源１０が広帯域のビー
ム（高範囲のスペクトルの光を含むビーム）を放射することが重要である。リレ
ー４２は色収差がある構成要素を備えていないので、ビーム２２の各部分のスペ
クトルは等しくアパーチャ２７上に集束する。このため、ミラー３３またはミラ
ー３４にわずかなミスアライメントがある場合、ビーム２２はアパーチャ２７を
横切って移動して、測定された輝度の全体にわたり変化が生じるが、スペクトル
の種々の波長の測定された相対輝度が変化することはない。
ム（高範囲のスペクトルの光を含むビーム）を放射することが重要である。リレ
ー４２は色収差がある構成要素を備えていないので、ビーム２２の各部分のスペ
クトルは等しくアパーチャ２７上に集束する。このため、ミラー３３またはミラ
ー３４にわずかなミスアライメントがある場合、ビーム２２はアパーチャ２７を
横切って移動して、測定された輝度の全体にわたり変化が生じるが、スペクトル
の種々の波長の測定された相対輝度が変化することはない。
【００５８】 さらに、ミラー３４はミラー３３の収差を部分的にキャンセルするので、ビュ
ーイング部位２０および測定部位２１は共に光学リレー４２によって正確にイメ
ージ形成される。この正確なイメージ形成によって、種々の薄膜のパターンを含
むサンプルに対して、測定を行うことができる。これらの測定は所定の位置にお
ける小さな部位のみで希望される。ビューアー２８を使用して移動可能なステー
ジ１５の位置をコントロールすることによって、測定部位２１をサンプル１６上
の任意の所定の位置に一致させることができる。
ーイング部位２０および測定部位２１は共に光学リレー４２によって正確にイメ
ージ形成される。この正確なイメージ形成によって、種々の薄膜のパターンを含
むサンプルに対して、測定を行うことができる。これらの測定は所定の位置にお
ける小さな部位のみで希望される。ビューアー２８を使用して移動可能なステー
ジ１５の位置をコントロールすることによって、測定部位２１をサンプル１６上
の任意の所定の位置に一致させることができる。
【図１】 従来技術の分光光度法の装置を示す。
【図２ａ】 装置の好ましい実施形態の三次元表示を示す。
【図２ｂ】 サンプルの照明領域、ビューイング領域、および測定部位のク
ローズアップ図を示す。
ローズアップ図を示す。
【図３ａ】 装置の好ましい実施形態の二次元表示を示す。
【図３ｂ】 分光光度計の入射アパーチャのクローズアップ図である。
【図４】 一般的なトロイダルミラーの三次元表示である。
【図５】 装置の好ましい実施形態による、第１および第２の光学リレーを
示す。
示す。
【図６ａ】 装置の好ましい実施形態の第２の光学リレーに対応するスポッ
ト図である。
ト図である。
【図６ｂ】 装置の好ましい実施形態の第２の光学リレーに対応するスポッ
ト図である。
ト図である。
【図６ｃ】 装置の好ましい実施形態の第２の光学リレーに対応するスポッ
ト図である。
ト図である。
【図７】 装置の第２の実施形態による第２の光学リレーの詳細図である。
【図８ａ】 装置の第２の実施形態の第２の光学リレーに対応するスポット
図である。
図である。
【図８ｂ】 装置の第２の実施形態の第２の光学リレーに対応するスポット
図である。
図である。
【図８ｃ】 装置の第２の実施形態の第２の光学リレーに対応するスポット
図である。
図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＣＡ，Ｄ Ｅ，ＪＰ (72)発明者 フォロウヒ、アブダル ラーヒム アメリカ合衆国 95014 カリフォルニア 州 キュパーティノ アップランド コー ト 1151 (72)発明者 マンデラ、マイケル ジェイ． アメリカ合衆国 95014 カリフォルニア 州 キュパーティノ パークウッド ドラ イブ 10193 ナンバー２ Ｆターム(参考） 2F065 AA30 AA50 CC02 CC31 EE08 FF41 FF51 GG24 HH04 HH12 JJ03 JJ08 JJ26 LL19 LL30 LL67 PP01 PP12 QQ25 2G020 AA03 AA04 AA05 BA18 CA03 CA12 CB03 CB06 CB42 CB43 CC23 CC62 CD03 CD13 CD16 CD55 2G059 AA02 BB10 DD13 EE02 EE09 EE12 GG00 HH01 HH02 HH03 HH06 JJ11 JJ13 JJ17 KK01 MM05 MM10 PP04
Claims (24)
- 【請求項１】 サンプルの光学特性を特徴付けるための装置であって、 （ａ）広帯域の光ビームを発生する光源と、 （ｂ）前記光源を前記サンプル上にイメージ形成するように配置された光学素
子と、 （ｃ）前記サンプルの測定部位によって反射された光を収集するように配置さ
れた第１のトロイダルミラーと、 （ｄ）前記光を受け取り、前記測定部位を分光光度計の入射アパーチャ上にイ
メージ形成するように配置された第２のトロイダルミラーと、 を備えることを特徴とする装置。 - 【請求項２】 請求項１の装置であって、前記分光光度計から出力されたデ
ータを屈折率n(E)および吸光係数k(E)に依存する理論モデルと比較して、これに
より、前記サンプルを最も良く記述する前記屈折率n(E)および前記吸光係数k(E)
の値が決定されるプログラムを実行する、前記分光光度計と電子的通信を行うコ
ンピュータをさらに備えることを特徴とする装置。 - 【請求項３】 請求項２の装置であって、前記コンピュータのプログラムが
前記吸光係数k(E)の数学的パラメータ表示を使用し、前記パラメータ表示が、 （ａ）電子遷移が前記サンプル内の初期状態から最終状態までに発生する可能
性に関連する可能性の項と、 （ｂ）前記サンプル内の前記初期状態と前記最終状態との間のエネルギーの差
に関連するエネルギーの項と、 （ｃ）電子が前記サンプル内の前記最終状態の中に残ることにつながる寿命に
関連する寿命の項と、 を備えることを特徴とする装置。 - 【請求項４】 請求項２の装置であって、前記サンプルが薄膜から成り、前
記理論モデルがさらに前記薄膜の厚さに依存して、これにより、前記薄膜を最も
良く説明する前記厚さの値が決定されることを特徴とする装置。 - 【請求項５】 請求項１の装置であって、前記第２のトロイダルミラーと前
記入射アパーチャとの間に配置されて、前記測定部位のイメージをビューアーに
偏向させるためのデフレクタをさらに備えることを特徴とする装置。 - 【請求項６】 請求項１の装置であって、前記サンプルを前記第１のトロイ
ダルミラーに対して移動させるための移動可能なステージを備える、前記サンプ
ル用のホルダをさらに含むことを特徴とする装置。 - 【請求項７】 請求項１の装置であって、前記広帯域の光ビームが190nm と
1100 nmとの間の範囲に存在する波長を有することを特徴とする装置。 - 【請求項８】 請求項１の装置であって、前記サンプルの前記測定部位によ
って反射された光が０゜と10゜との間の範囲に存在する、前記サンプルからの複
数の反射角を有することを特徴とする装置。 - 【請求項９】 請求項１の装置であって、前記第１および第２のトロイダル
ミラーが、それぞれ、第１および第２の光軸を有し、前記第１の光軸は前記第２
の光軸に対してほぼ逆平行である、ことを特徴とする装置。 - 【請求項１０】 請求項１の装置であって、前記第１のトロイダルミラーは
前記第２のトロイダルミラーとほぼ同一であることを特徴とする装置。 - 【請求項１１】 請求項１の装置であって、前記第１および第２のトロイダ
ルミラーは、それぞれ第１および第２の接平面の曲率半径に対する矢状面の曲率
半径の比を有し、かつそれらの比はほぼ１／２に等しいことを特徴とする装置。 - 【請求項１２】 反射分光光度計を使用する、サンプルの光学特性を特徴付
けるための装置であって、 （ａ）広帯域の光ビームを発生する光源と、 （ｂ）前記広帯域の光ビームを前記サンプルに入射させるように位置決めされ
た光学素子と、 （ｃ）入射アパーチャを有する分光光度計と、 （ｄ）第１および第２のトロイダルミラーを備え、前記サンプルの測定部位に
よって反射された光を収集し、前記光を前記入射アパーチャに向ける光学リレー
と、 を備えることを特徴とする装置。 - 【請求項１３】 請求項１２の装置であって、 （ｉ）前記分光光度計と電子的通信を行うコンピュータと、 （ｉｉ）前記分光光度計から出力されたデータを屈折率n(E)および吸光係数k(
E)に依存する理論モデルと比較して、これにより、前記サンプルを最も良く記述
する前記屈折率n(E)および前記吸光係数k(E)の値が決定される、前記コンピュー
タ上で動作するコンピュータのプログラムと、 をさらに備えることを特徴とする装置。 - 【請求項１４】 請求項１３の装置であって、前記コンピュータのプログラ
ムが前記吸光係数k(E)の数学的なパラメータ表示を使用し、前記パラメータ表示
が、 （ａ）電子遷移が前記サンプル内の初期状態から最終状態までに発生する可能
性に関連する可能性の項と、 （ｂ）前記サンプル内の前記初期状態と前記最終状態との間のエネルギーの差
に関連するエネルギーの項と、 （ｃ）電子が前記サンプル内の前記最終状態の中に残ることにつながる寿命に
関連する寿命の項と、 を備えることを特徴とする装置。 - 【請求項１５】 請求項１３の装置であって、前記サンプルが薄膜から成り
、前記理論モデルがさらに前記薄膜の厚さに依存して、これにより、前記薄膜を
最も良く説明する前記厚さの値が決定されることを特徴とする装置。 - 【請求項１６】 請求項１２の装置であって、デフレクタとビューアーとを
さらに備えて、前記デフレクタが前記測定部位のイメージを前記ビューアーに反
射するように位置決めされたことを特徴とする装置。 - 【請求項１７】 請求項１２の装置であって、前記サンプルを前記光学リレ
ーに対して移動させるための移動可能なステージを備える、前記サンプル用のホ
ルダをさらに含むことを特徴とする装置。 - 【請求項１８】 請求項１２の装置であって、前記広帯域の光ビームが190n
m と 1100 nmとの間の範囲に存在する波長を有することを特徴とする装置。 - 【請求項１９】 請求項１２の装置であって、前記サンプルの前記測定部位
によって反射された光が０゜と10゜との間の範囲に存在する、前記サンプルから
の複数の反射角を有することを特徴とする装置。 - 【請求項２０】 請求項１２の装置であって、前記第１および第２のトロイ
ダルミラーがそれぞれ第１および第２の光軸を有し、前記第１の光軸が前記第２
の光軸にほぼ逆平行していることを特徴とする装置。 - 【請求項２１】 請求項１２の装置であって、前記第１のトロイダルミラー
は前記第２のトロイダルミラーとほぼ同一であることを特徴とする装置。 - 【請求項２２】 請求項１２の装置であって、前記第１および第２のトロイ
ダルミラーは、それぞれ第１および第２の接平面の曲率半径に対する矢状面の曲
率半径の比を有し、かつそれらの比はほぼ１／２に等しいことを特徴とする装置
。 - 【請求項２３】 請求項１の装置であって、前記サンプルは薄膜を含み、前
記サンプルの前記光学特性が前記薄膜の厚さ（ｄ）に依存し、前記フィルムの前
記光学特性を最も良く説明する前記厚さ（ｄ）の値が決定されることを特徴とす
る装置。 - 【請求項２４】 請求項１２の装置であって、前記サンプルは薄膜を含み、
前記サンプルの前記光学特性が前記薄膜の厚さ（ｄ）に依存し、前記フィルムの
前記光学特性を最も良く説明する前記厚さ（ｄ）の値が決定されることを特徴と
する装置。
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/987,907 US5880831A (en) | 1997-12-09 | 1997-12-09 | Reflectance spectrophotometric apparatus with optical relay |
| US08/987,907 | 1998-05-15 | ||
| US09/079,875 US5991022A (en) | 1997-12-09 | 1998-05-15 | Reflectance spectrophotometric apparatus with toroidal mirrors |
| US09/079,875 | 1998-05-15 | ||
| PCT/US1998/026157 WO1999030119A1 (en) | 1997-12-09 | 1998-12-09 | Reflectance spectrophotometric apparatus with toroidal mirrors |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001526383A true JP2001526383A (ja) | 2001-12-18 |
Family
ID=26762525
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000524633A Pending JP2001526383A (ja) | 1997-12-09 | 1998-12-09 | トロイダルミラー付きの反射分光光度装置 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5991022A (ja) |
| EP (1) | EP1047921A4 (ja) |
| JP (1) | JP2001526383A (ja) |
| AU (1) | AU1634199A (ja) |
| CA (1) | CA2312892A1 (ja) |
| WO (1) | WO1999030119A1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
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