JP2938501B2

JP2938501B2 - 磁場掃引エリプソメータ

Info

Publication number: JP2938501B2
Application number: JP4521490A
Authority: JP
Inventors: 知行深沢; 清矢嶋; 吉田　　裕; 三行重久
Original assignee: Nihon Bunko Kogyo KK
Current assignee: Jasco Corp
Priority date: 1990-02-26
Filing date: 1990-02-26
Publication date: 1999-08-23
Anticipated expiration: 2014-08-23
Also published as: JPH03246448A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は磁場掃引エリプソメータ、特にその磁場掃引
機構の改良に関する。

［従来の技術］半導体等の各種物体上の薄膜の厚さ或いは薄膜の屈折
率等の物性を測定するため、光の反射時の偏光状態を測
定するエリプソメータが周知である。

そして、表面に薄膜を有する試料の表面に直線偏光を
斜から入射させれば、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り、通常は楕円偏光になっ
て反射される。

従って、この反射光の偏光量を測定し、解析計算を行
なうことによって薄膜の厚さや屈折率を求めることがで
きる。

［発明が解決しようとする課題］ところで近年、光磁気記録における記録膜や、ファラ
デー素子の評価等、磁気光学効果を応用する分野の評価
装置の需要が高まっている。

そして、従来よりカー効果、ファラデー効果等の測定
装置として旋光角を計る評価装置が用いられているが、
最近はカー楕円率までも同時に測定する評価装置が強く
要望されている。

すなわち、直線偏光を入射したとき、通常の金属表面
における反射光は直線偏光しているが、磁場中に強磁性
体を配置した場合には磁気カー効果を生じ楕円偏光を呈
するようになる。

この磁気カー効果に基づくカー楕円率を測定すること
により、その評価対象の物性データか拡大するのであ
る。

特にカー回転のみならずカー楕円率も素子性能を決定
づける光磁気記録膜や光アイソレータ等の開発、製造に
おける物性評価装置としてはカー楕円率の測定機能も不
可欠となっている。

しかしながら、従来の一般的な評価装置ではこのよう
な磁気カー効果に基づくデータまでを得ることはできな
かった。

本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであ
り、その目的はカー楕円率をも同時に測定することので
きるエリプソメータを提供することにある。

［課題を解決するための手段］前記目的を達成するために本出願の請求項１記載の磁
場掃引エリプソメータは、出光系と、サンプルステージ
と、受光系と、磁場掃引部と、ステージ移動手段と、ス
テージ制御手段と、を備えたことを特徴とする。

ここで、前記出光系は、特定方位の直線偏光を出射可
能なものである。

また、前記サンプルステージは、サンプルを載置し、
前記出光系よりの入射光をサンプルへ透過ないし反射さ
せる。

前記受光系は、前記サンプルからの透過光ないし反射
光より楕円偏光のデータを得ることのできる。

前記磁場掃引部は、前記サンプルステージに設けら
れ、前記サンプルに磁場を掃引可能な磁場掃引部であっ
て、先端部を狭くした平坦部、該平坦部の略中心部と背
面との間を貫通する光導通孔および該平坦部の略中心部
より側方へ形成された切欠溝を含む一対のポールピース
と、略口字状に形成された上半体及び下半体を含むヨー
クと、該上半体及び下半体の脚部に巻回されたコイル
と、を含み、該サンプルを間に挟み該各ポールピース平
坦部を対向位置させ、該ポールピースを該上半体及び下
半体の脚部で挟持する。

前記ステージ移動手段は、磁場に対しサンプルが、二
種類以上の反射光測定モードと透過光測定モードを取り
得るように、前記サンプルステージ及び／又は受光系を
移動可能なものである。

前記ステージ制御手段は、磁場に対しサンプルが、前
記二種類以上の反射光測定モードと透過光測定モードの
うち、所望の測定モードとなる位置に、前記サンプルス
テージ及び／又は受光系を移動させる。

また、請求項２記載のエリプソメータは、前記磁場に
対しサンプルが取り得る二種類以上の反射光測定モード
と透過光測定モードは、ポーラーカー配置とロンジィデ
ィナルカー配置及びファラデー配置を含むことを特徴と
する。

［作用］本発明にかかるエリプソメータは前述した手段を備え
るので、サンプルに磁場をかけた状態で偏光状態を測定
することが可能となる。

この結果、エリプソメータの有する楕円偏光解析機能
により、カー効果或いはファラデー効果の影響による旋
光角のみならず、従来の一般的な評価装置では測定が不
可能であった磁気カー効果に基づくカー楕円率も同時に
測定することが可能となる。

また、請求項２記載のエリプソメータによれば、サン
プルを各種配置で載置し、それぞれについてデータを得
ることができるので、汎用性を大幅に向上させることが
できる。

［実施例］以下、図面に基づき本発明の好適な実施例を説明す
る。

第１図には本発明の一実施例にかかるエリプソメータ
の概略構成図が示されている。

本実施例にかかるエリプソメータは、出光系10と、サ
ンプルステージ12と、受光系14とを含む。

そして、出光系10は、モノクロメータ16と、偏光子18
とよりなり、前記モノクロメータ16により一定の波長に
調整された光が偏光子18により所定の偏光方位の直線偏
光となり、前記サンプルステージ12に向けて出射され
る。

前記サンプルステージ12はサンプル20を保持してお
り、該サンプル20の表面で直線偏光が反射され、受光系
14に入射される。

ここで、サンプルステージ12ではサンプル20に所定の
磁場をかけており、磁気カー効果により楕円偏光した光
が受光系14の光弾性変調器（PEM）22に入射され、所定
の変調角速度ωで左回りの楕円偏光、右回りの楕円偏光
に交番的に変化する。PEM22により偏光変調された光は
検光子24に入射され、更にその検光子24から出射された
光はフォトマルチプライヤ等の光検出器（PM）26に入射
され、電気信号に変換される。

本実施例にかかるエリプソメータの制御はパーソナル
コンピュータ28により行なわれており、該コンピュータ
28はI/Oポート30を介してステージコントローラ32を制
御する。そして、該ステージコントローラ32は各種測定
モードに応じて、前記サンプルステージ12の入射光に対
する角度及び該サンプルステージ12からの反射光を適切
に受光し得る位置への受光系14の位置制御を行なう。

また、コンピュータ28はD/A変換器34を介してサンプ
ルステージ12に設けられたマグネットの磁力を調整する
と共に、PEMコントローラ36に指令を与えPEM22の変調振
幅δ_０を調整する。PEMコントローラ26による変調位相
情報は参照情報としてアンプユニット38に送られ、PM26
の検出情報の中から変調周波数（ω/2π）成分及び二次
高調波（２ω/2π）成分がロックイン検波され、A/D変
換器40を介してコンピュータ28に入力される。

また、これら二つの信号成分はDC（直流）成分を一定
に保つ帰還ループの機能により実効的DC成分で除されて
いる。

尚、コンピュータ28の処理データはCRT42,プリンター
44に出力される。

一方、モノクロコントローラ46は光源48に点灯電力を
与えると共に、モノクロメータ16を制御し、出射される
光の波長等を調整する。また、モノクロコントローラ46
はローテータ50を制御し、偏光子18、検光子24の所望の
回転制御を行なう。

第２図には本発明にかかるエリプソメータの要部が示
されており、前記第１図と対応する部分には同一符号を
付している。

同図より明らかなように、サンプルステージ12には磁
場掃引部52が設けられている。そして、該磁場掃引部52
内にサンプル20が配置され、磁場掃引部52による磁場を
サンプル54に印加することができる。

磁場掃引部52は口字状ヨーク54を含み、該ヨーク54に
はコイル56a,56b,56c,56dが巻回されている。従って、
該コイル56に電流を導通することにより、ヨーク54は励
磁される。一方、ヨーク54の両側部にはポールピース58
a,58bが設置され、該ポールピース58a,58bを介してサン
プル20を磁場中に置くことかできる。

尚、図示例において、磁場掃引部52にはポールピース
58a,58bを貫通する光導通光60a,60bが設けられている。

この結果、出光系10から出射した光62は磁場掃引部52
内のサンプル20を透過して受光系14に至る。従って、本
実施例にかかるエリプソメータによればサンプル20から
の反射光のみならず、透明サンプル20の透過光をも測定
することができる。

また、本実施例においてサンプルステージ12はベース
64に回転可能に形成されており、ウォーム66に噛合した
ウォームホイール68に連動している。従って、ウォーム
66を回転させることにより、ウォームホイール68を介し
てサンプルステージ12を回転させることができる。そし
て、前記出光系10からの光をサンプル20に各種角度で入
射させ、その反射光を測定することもできる。

一方、サンプル20の反射光測定モードでは、受光系14
もサンプルステージ12の回転に伴い適切に回転させなけ
ればならない。すなわち、サンプルステージ12を角度θ
回転させた場合には、受光系14は角度２θ回転させなけ
ればサンプル20からの反射光を適切に受光することがで
きない。

このため、受光系14はサンプルステージ12と同軸上で
回転可能に形成されている。すなわち、受光系14は支持
部材70に支持されている。そして、該支持部材70はウォ
ームホイール72に連動し、ウォーム74の回転により前記
受光系14はサンプルステージ12と同軸上で回転すること
ができる。従って、ウォーム74をウォーム66の２倍の速
度で回転させれば、サンプルステージ12の回転角度θに
対して受光系14を回転角度２θで回転させることができ
る。

以上のように本実施例にかかるエリプソメータによれ
ば、サンプル20に磁場をかけた状態で、該サンプル20の
透過光、或いは反射光を測定することができる。

そして、従来の旋光角の測定に加え、エリプソメータ
の有する楕円偏光測定器能によりカー楕円率も同時に測
定することができる。

第３図には本実施例にかかるエリプソメータが透過光
測定モードに設定され、サンプル20の透過光よりファラ
デー効果を測定する状態が示されている。

同図より明らかなように、ポールピース58a,58bは略
長方体形状に形成され、その中央部に光62を通過させる
光導通孔60a,60bが設けられている。また、各ポールピ
ース58a,58bの中央両側部には切欠溝76a,76b,78a,78bが
設けられている。

そして、同図に示す状態ではポールピース58aの光導
通孔60aを通過してきた光が透明サンプル20を透過し、
更にポールピース58bの光導通孔60bを通過して受光系に
至る。

ここで、前記ポールピース58a,58bによりサンプル20
には磁場が印加されているため、サンプルに対するファ
ラデー効果の影響が測定できる。

一方、第４図には本実施例にかかるエリプソメータが
第一反射光測定モードに設定され、ポーラーカー効果の
影響を測定する状態が示されている。

同図より明らかなように、サンプル20の配置は前記第
３図と同じであるが、出光系10及び受光系14がポールピ
ース58aを挟んで対称位置に配置されている。このた
め、光の入射が光導通孔60を介して行なわれるのではな
く、切欠溝76aを介して行なわれ、更にサンプル20によ
る反射光は切欠溝76bを介して受光系14に至る。

このように本実施例においては、ポールピース58aに
切欠溝76a,76bを設けたので、広い光入射角度でサンプ
ル20へのポーラーカー効果の影響を測定することができ
る。

また、第５図には本実施例にかかるエリプソメータが
第二反射光測定モードに設定され、ロンジィテューディ
ナルカー効果の影響を測定する状態が示されている。

同図より明らかなように、サンプル20の配置は前記第
３図ないし第４図に示す状態と直交する方向であるが、
出光系10及び受光系14はポールピース58の一方側に配置
されている。そして、光の入射方向は前記第４図と同一
方向であり、反射光はポールピース58bの切欠溝78bを介
して出射する。

このように本実施例においては、ポールピース58a,58
bにそれぞれ切欠溝76,78を設けたので、広い入射角度で
サンプル20へのロンジィテューディナルカー効果の影響
を測定することができる。

次に本実施例にかかるエリプソメータによる演算作用
について第６図に示す光学特性図を参照しつつ説明す
る。

磁場掃引を行なわない状態では次のように各光学特性
が示される。

まず、入射自然光のストークスベクトルは次式によ
り表される。

また、偏光子18のミューラ行列は次式で表される。

また、サンプル20における反射のミューラ行列は次式
により表される。

また、PEM22のミューラ行列は次式で表される。

但し、δはPEM22の変調の角周波数（角速度）をω、
振幅をδ_０として δ＝δ_０・sinωｔで定義される。

また、検光子24のミューラ行列は次式で表される。

よって、PM26による出力Ｉは前記式〜を乗算した
第１成分で与えられ、次式で表されることとなる。

Ｉ＝｛１−cosδ・cos2ψ−sinδ・sin2ψ・sinΔ｝・1/4 そして、PM26による出力をDC成分、ω成分、２ω成分
にそれぞれ分離すれば、Ｉ（DC）＝｛１−J₀（δ_０）・cos2ψ｝・1/4 Ｉ（ω）＝｛−2J₁（δ_０）・sin2ψ・sinΔ｝・1/4 Ｉ（２ω）＝｛−2J₂（δ_０）・cos2ψ｝・1/4 ここで、PEM22の変調振幅をJ₀（δ_０）＝０（δ_０＝
2.405rad）に設定する。

そして、Ｉ（DC）で除された信号は、ａ（ω）＝−sin2ψ・sinΔ ａ（２ω）＝−cos2ψ となる。

一方、磁場をかけた場合は、透過軸方位φの偏光子18
のミューラ行列は次式で表される。

また、PEM22のミューラ行列は次の式で表される。

また、検光子24のミューラ行列は次の式で表され
る。

よって、PM26による検出出力Ｉは前記同様の演算によ
り次式により表される。

Ｉ＝［１＋cosδ・｛sin2ψ・cosΔ・cos2φ ＋sin2ψ・sinΔ・sin2φ｝＋sinδ・cos2ψ］・1/4 ここで、第６図より明らかなように、２ψ＝２ε＋90
゜であるから、規格化された信号は、ａ（ω）＝cos2ψ＝−sin2ε ａ（２ω）＝sin2ψ・cos（２φ−Δ）＝c
os2ε・cos（２φ−Δ）となる。

以上の結果より、楕円率角ε、方位角φ′、旋光角θ
は次の式により表されることになる。

ε≡1/2・sin^-1｛−ａ（ω）｝−45≦ε≦45（deg） φ′≡φ−Δ/2＝1/2・cos^-1｛ａ（２ω）/cos2ε｝ θ≡−Δ/2＝1/2・cos^-1｛ａ（２ω）/cos2ε｝−φ このように本実施例にかかるエリプソメータによれ
ば、旋光角のみならず、カー楕円率をも同時に測定する
ことが可能となる。

しかも、サンプル及び測定目的に応じてコンピュータ
28を操作し、透過光測定モード、第一反射光測定モー
ド、第二反射光測定モードの各モードを設定し、ポーラ
ーカー配置、ロンジィテューディナルカー配置、ファラ
デー配置のサンプルよりデータを得ることができる。

［発明の効果］以上説明したように本出願の請求項１記載の磁場掃引
エリプソメータによれば、サンプルに磁場をかけた状態
で偏光状態を測定することで、カー効果或いはファラデ
ー効果の影響による旋光角のみならず、カー楕円率も同
時に測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる磁場掃引エリプソメ
ータの概略構成の説明図、第２図は第１図に示したエリプソメータのサンプルステ
ージの説明図、第３図〜第５図は第１図に示したエリプソメータによる
サンプルと磁場掃引部の関係の説明図、第６図は第１図に示したエリプソメータによる偏光状態
を示す説明図である。 10……出光系 12……サンプルステージ 14……受光系 52……磁場掃引部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者重久三行東京都八王子市石川町2967番地の５日本分光工業株式会社内 (56)参考文献特開昭60−243539（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−24614（ＪＰ，Ａ) 特開平１−161131（ＪＰ，Ａ) 実開平３−109157（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】特定方位の直線偏光を出射可能な出光系
と、サンプルを載置し、前記出光系よりの入射光をサンプル
へ透過ないし反射させるサンプルステージと、前記サンプルからの透過光ないし反射光より楕円偏光の
データを得ることのできる受光系と、前記サンプルステージに設けられ、前記サンプルに磁場
を掃引可能な磁場掃引部であって、先端部を狭くした平
坦部、該平坦部の略中心部と背面との間を貫通する光導
通孔および該平坦部の略中心部より側方へ形成された切
欠溝を含む一対のポールピースと、略口字状に形成され
た上半体及び下半体を含むヨークと、該上半体及び下半
体の脚部に巻回されたコイルと、を含み、該サンプルを
間に挟み該各ポールピース平坦部を対向配置させ、該ポ
ールピースを該上半体及び下半体の脚部で狭持する磁場
掃引部と、磁場に対しサンプルが、二種類以上の反射光測定モード
と透過光測定モードを取り得るように、前記サンプルス
テージ及び／又は受光系を移動可能なステージ移動手段
と、磁場に対しサンプルが、前記二種類以上の反射光測定モ
ードと透過光測定モードのうち、所望の測定モードとな
る位置に、前記サンプルステージ及び／又は受光系を移
動させるステージ制御手段と、を含み、前記ステージ移動手段及びステージ制御手段に
より、前記磁場に対しサンプルが透過光測定モードを取
る際は、前記サンプルの透過光が前記光導通孔を介して
前記受光系へ入射するようにし、また前記反射光測定モ
ードを取る際は、前記サンプルからの反射光を前記切欠
溝を介して該受光系へ入射するように、前記各測定モー
ドを自動的に変更可能にしたことを特徴とする磁場掃引
エリプソメータ。
【請求項２】請求項１記載の磁場掃引エリプソメータに
おいて、前記磁場に対しサンプルが取り得る二種類以上
の反射光測定モードと透過光測定モードは、ポーラーカ
ー配置とロンジィディナルカー配置及びファラデー配置
を含むことを特徴とする磁場掃引エリプソメータ。