JPH04294227A - Ellipsometer - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To obtain measuring values at a plurality of wavelengths in one measurement thereby to achieve quick measurement. CONSTITUTION:A parallel light from a multi color emitting light source 1 is, through a polarizer 2, a quarter wave plate 3, incident on the surface of a sample 4. The reflecting light is passed through a rotary analyzer 5 and directed onto a beam splitter 6 and then the divided light beams enter photodetecting parts 10. Each of photodetecting parts 10 can detect a beam of light of a specified wavelength. The angle PSI and the phase difference of the elliptically polarized light are operated by a CPU 12 from he photodetecting outputs. The index of refraction (n) and the film thickness (d) of a thin film for every wavelength are obtained from the operated angle PSI and phase difference .

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【０００１】0001

【産業上の利用分野】本発明は、半導体や酸化物等の薄
膜の厚さ、屈折率等の物性を測定するため等に使用され
るエリプソメータに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ellipsometer used for measuring physical properties such as thickness and refractive index of thin films such as semiconductors and oxides.

【０００２】0002

【従来の技術】エリプソメトリ（偏光解析法）は物体表
面から反射してくる光の偏光状態の変化を観測して物体
の光学定数あるいは物体表面上に存在する薄膜の光学定
数及び膜厚を知る方法である。ＭＢＥ（分子線エピタキ
シー法）やＭＯＣＶＤ（有機金属気相蒸着法）等により
半導体多元混晶薄膜を作成する場合、このエリプソメト
リを測定方法として使用することにより、光学定数から
薄膜中の元素組成比等の解析を行うことができる。[Prior art] Ellipsometry (ellipsometry) observes changes in the polarization state of light reflected from the surface of an object to determine the optical constants of the object or the optical constants and thickness of a thin film existing on the surface of the object. It's a method. When creating a semiconductor multi-component mixed crystal thin film by MBE (molecular beam epitaxy) or MOCVD (metal-organic vapor phase deposition), ellipsometry can be used as a measurement method to determine the elemental composition ratio in the thin film from optical constants. etc. can be analyzed.

【０００３】このエリプソメトリを行う従来のエリプソ
メータの一例を図２に示す。図２において、ランプ等の
多色発光光源２１からの光はコリメータによって平行光
化されて分光器２２に入射され任意の波長に単色化され
た後、偏光子２３によって直線偏光となり１／４波長板
２４を経て試料２５に入射される。試料２５からの反射
光は楕円偏光となり、回転検光子２６を介して光検出部
２７によって検出される。An example of a conventional ellipsometer that performs this ellipsometry is shown in FIG. In FIG. 2, light from a polychromatic light source 21 such as a lamp is collimated by a collimator, enters a spectroscope 22, is made monochromatic to an arbitrary wavelength, and is then linearly polarized by a polarizer 23 with a quarter wavelength. The light is incident on the sample 25 through the plate 24. The reflected light from the sample 25 becomes elliptically polarized light, which is detected by the photodetector 27 via the rotating analyzer 26.

【０００４】試料面へ直線偏光を入射させると、薄膜の
屈折率ｎ、膜厚ｄによって反射光の偏光状態が変化する
ので、試料表面からの反射光は一般に楕円偏光となる。 したがって、ＣＰＵ２９により検光子回転駆動部２８を
駆動して回転検光子２６を回転させ、検光子２６が半回
転または１回転する間の光検出部２７の出力をＣＰＵ２
９に取り込む。そして、ＣＰＵ２９によって光検出出力
を演算することにより、光の進行方向からみて、入射面
（入射光、反射光、屈折光を含む面）に平行な波と垂直
な波の位相差Δと振幅比ｔａｎΨのうちの角度Ψを求め
、求めた位相差Δと角度Ψの値とから薄膜の屈折率ｎ、
膜厚ｄを求めることができる。When linearly polarized light is incident on the sample surface, the polarization state of the reflected light changes depending on the refractive index n and film thickness d of the thin film, so the reflected light from the sample surface generally becomes elliptically polarized light. Therefore, the CPU 29 drives the analyzer rotation driving section 28 to rotate the rotating analyzer 26, and the CPU 29 receives the output of the light detection section 27 while the analyzer 26 makes half a rotation or one rotation.
Import into 9. Then, by calculating the photodetection output by the CPU 29, the phase difference Δ and the amplitude ratio of waves parallel to and perpendicular to the incident surface (the surface containing incident light, reflected light, and refracted light) as seen from the traveling direction of light are calculated. The angle Ψ of tanΨ is determined, and the refractive index n of the thin film is determined from the determined phase difference Δ and the value of the angle Ψ.
The film thickness d can be determined.

【０００５】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体多元
混晶薄膜作成装置を用いてレーザ素子を作成する場合、
作成されたレーザ素子の波長分散特性が重要となるため
、作成されている薄膜の屈折率の波長特性を成膜中に監
視することが必要であり、複数波長での屈折率等を測定
する必要がある。しかし、従来のエリプソメータは上記
のように構成されており、ランプからの多色光を分光器
等で単色化したものを測定光として用いているので、複
数波長での測定値を得るためには、必要な波長の数と同
じ回数だけ分光器から出力される波長を切り換えて測定
を行わなければならない。[Problems to be Solved by the Invention] By the way, when producing a laser element using a semiconductor multi-component mixed crystal thin film production apparatus,
Since the wavelength dispersion characteristics of the created laser element are important, it is necessary to monitor the wavelength characteristics of the refractive index of the thin film being created during film formation, and it is necessary to measure the refractive index at multiple wavelengths. There is. However, conventional ellipsometers are configured as described above, and use polychromatic light from a lamp that has been made monochromatic using a spectroscope as measurement light, so in order to obtain measurement values at multiple wavelengths, Measurements must be performed by switching the wavelengths output from the spectrometer as many times as the number of wavelengths required.

【０００６】したがって、このようなエリプソ法を半導
体多元混晶薄膜作成装置に適用した場合、半導体成膜中
に薄膜の複数の波長での屈折率ｎを迅速に測定すること
ができない。半導体成膜装置の場合には、測定中にも物
質状態が変化していくので、なるべく早い測定が必要で
あり、従来のエリプソメータでは半導体多元混晶薄膜作
成装置の成膜管理に使用できないという問題があった。Therefore, when such an ellipso method is applied to a semiconductor multi-component mixed crystal thin film forming apparatus, the refractive index n of the thin film at a plurality of wavelengths cannot be rapidly measured during semiconductor film formation. In the case of semiconductor film deposition equipment, the state of matter changes even during measurement, so measurements must be taken as quickly as possible, and the problem is that conventional ellipsometers cannot be used to manage film deposition in semiconductor multi-component mixed crystal thin film creation equipment. was there.

【０００７】本発明は、上記問題点を解消するために創
案されたものであり、１回の測定によって複数波長での
測定値が得られ、迅速に測定を行う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。The present invention was devised to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide an ellipsometer that can obtain measured values at multiple wavelengths in one measurement and can perform measurements quickly. With the goal.

【０００８】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明のエリプソメータは、光源と、この光源からの
光の試料面への入射光路中に配置される偏光子と、試料
からの反射光路中に配置される検光子と、反射光を検出
する光検出部とを備えたエリプソメータにおいて、測定
用光源として多色の平行光を発光する光源を用いるとと
もに、反射光を分岐するビームスプリッタと、分岐され
た光を検出する光検出部としてそれぞれフィルターと光
検出器よりなる光検出部を使用することを特徴とする。[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the ellipsometer of the present invention includes a light source, a polarizer disposed in the optical path of light incident on the sample surface from the light source, and a polarizer that reflects light from the sample. In an ellipsometer equipped with an analyzer disposed in the optical path and a light detection unit that detects reflected light, a light source that emits multicolored parallel light is used as a measurement light source, and a beam splitter that splits the reflected light is used. The present invention is characterized in that a photodetection section consisting of a filter and a photodetector is used as the photodetection section for detecting the branched light.

【０００９】[0009]

【作用】本発明のエリプソメータは上記のように構成さ
れており、光源からの多色の平行光が偏光子を介して測
定試料に入射され、測定試料からの反射光は検光子を通
過した後、ビームスプリッタによって複数個の光路に分
岐される。そして、分岐されたそれぞれの光が光検出部
に入射され、フィルターによってそれぞれの光検出部で
測定したい波長の光のみが透過されて光検出器によって
検出される。したがって、１回の測定により複数波長で
の測定値が得られ、これらの測定値からそれぞれの波長
における光学定数を求めることができる。[Operation] The ellipsometer of the present invention is constructed as described above, in which polychromatic parallel light from the light source is incident on the measurement sample via the polarizer, and the reflected light from the measurement sample passes through the analyzer. , which is split into multiple optical paths by a beam splitter. Then, each of the branched lights is incident on the photodetector, and only the light of the wavelength desired to be measured by each photodetector is transmitted by the filter and detected by the photodetector. Therefore, measurement values at multiple wavelengths can be obtained by one measurement, and optical constants at each wavelength can be determined from these measurement values.

【００１０】0010

【実施例】図１は本発明のエリプソメータを示す図であ
る。図１において、１は多色の平行光を発光する光源部
、２は偏光子、３は１／４波長板、４は試料、５は回転
検光子、６はビームスプリッターで、複数のハーフプレ
ートミラー６ａ〜６ｃと全反射ミラー７より構成されて
いる。また、１０は光検出部でそれぞれ干渉フィルター
８ａ〜８ｆと光検出器９より構成されている。１１は検
光子５の回転駆動部であり、１２はＣＰＵ（中央演算処
理部）である。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a diagram showing an ellipsometer according to the present invention. In Figure 1, 1 is a light source unit that emits polychromatic parallel light, 2 is a polarizer, 3 is a quarter-wave plate, 4 is a sample, 5 is a rotating analyzer, 6 is a beam splitter, and a plurality of half plates It is composed of mirrors 6a to 6c and a total reflection mirror 7. Further, reference numeral 10 denotes a photodetection section, each of which is composed of interference filters 8a to 8f and a photodetector 9. Reference numeral 11 is a rotational drive unit of the analyzer 5, and 12 is a CPU (central processing unit).

【００１１】次に、本発明のエリプソメータを用いた測
定方法を説明する。多色発光光源１からの平行光はその
まま偏光子２に入射し、偏光子２によって直線偏光とな
り１／４波長板３を経て試料４表面に照射される。試料
４からの反射光は楕円偏光となり、回転検光子５を介し
てビームスプリッター６に入射する。この光は複数のハ
ーフプレートミラー６ａ〜６ｃで透過と反射を繰り返し
、各ハーフプレートミラー６ａ〜６ｃ及び全反射ミラー
７で反射した光が各光検出部１０に入射する。このとき
、各ハーフプレートミラーは、例えば４光路に分岐する
場合には、 ６ａ……２５％反射、７５％透過 ６ｂ……３３％反射、６７％透過 ６ｃ……５０％反射、５０％透過 のように設定しておけば、それぞれおおよそ同光量に分
岐される。Next, a measurement method using the ellipsometer of the present invention will be explained. The parallel light from the polychromatic light source 1 enters the polarizer 2 as it is, becomes linearly polarized light by the polarizer 2, passes through the quarter-wave plate 3, and is irradiated onto the surface of the sample 4. The reflected light from the sample 4 becomes elliptically polarized light and enters the beam splitter 6 via the rotating analyzer 5. This light is repeatedly transmitted and reflected by the plurality of half plate mirrors 6a to 6c, and the light reflected by each of the half plate mirrors 6a to 6c and the total reflection mirror 7 enters each photodetector 10. At this time, when each half plate mirror branches into four optical paths, for example, 6a...25% reflection, 75% transmission 6b...33% reflection, 67% transmission 6c...50% reflection, 50% transmission If set like this, each branch will have approximately the same amount of light.

【００１２】一方、光検出部１０に入射した光は各干渉
フィルター８ａ〜８ｆによりそれぞれの光検出部で検出
する波長の光のみが透過され、この透過光が各光検出器
９によって検知される。したがって、ＣＰＵ１２により
検光子回転駆動部１１を駆動して回転検光子５を回転さ
せ、検光子が半回転または１回転する間、光検出器９の
出力をＣＰＵ８に入力する。そして、ＣＰＵ１２によっ
て光検出出力を演算することにより、角度Ψと位相差Δ
を演算し、演算した角度Ψと位相差Δより薄膜の屈折率
ｎと膜厚ｄを求めることができる。On the other hand, from the light incident on the photodetector 10, only the light having the wavelength to be detected by each photodetector is transmitted through each interference filter 8a to 8f, and this transmitted light is detected by each photodetector 9. . Therefore, the CPU 12 drives the analyzer rotation drive section 11 to rotate the rotary analyzer 5, and inputs the output of the photodetector 9 to the CPU 8 while the analyzer rotates half a rotation or one rotation. Then, by calculating the light detection output by the CPU 12, the angle Ψ and the phase difference Δ
The refractive index n and film thickness d of the thin film can be determined from the calculated angle Ψ and phase difference Δ.

【００１３】なお、上記実施例では、光源部としてラン
プを用いた場合を説明したが、多色発光光源として多波
長発振レーザを用いることもでき、このような光源を用
いれば、より単色化された測定を行えるので、測定精度
を向上させることができる。また、１／４波長板３を省
くことにより構成を簡単にすることもでき、さらに、各
ハーフプレートミラーの反射、透過光量は任意に設定す
ることができ、ビームスプリッタで同光量に分岐する必
要はない。[0013] In the above embodiment, a lamp is used as the light source, but a multi-wavelength oscillation laser can also be used as the multi-color light source. Since the measurement can be carried out in a more precise manner, the measurement accuracy can be improved. In addition, the configuration can be simplified by omitting the quarter-wave plate 3, and the amount of light reflected and transmitted by each half plate mirror can be set arbitrarily, and there is no need to split the light into the same amount with a beam splitter. There isn't.

【００１４】また、上記実施例では、回転検光子６を回
転させながら光検出部７の出力を測定することにより、
角度Ψと位相差Δを求めたが、偏光子と検光子をともに
回転可能とし、偏光子と検光子を回転させながら光検出
器の出力が最小となる点を求めることにより、角度Ψと
位相差Δを測定しても良い。Furthermore, in the above embodiment, by measuring the output of the photodetector 7 while rotating the rotary analyzer 6,
The angle Ψ and the phase difference Δ were calculated, but the angle Ψ and the position The phase difference Δ may also be measured.

【００１５】[0015]

【発明の効果】以上のように、本発明によるエリプソメ
ータは、測定用光源として多色の平行光を発光する光源
を用いるとともに、反射光を分岐するビームスプリッタ
と、分岐された光を検出する光検出部としてフィルター
と光検出器よりなる光検出部を使用しているので、１回
の測定によって複数波長での測定値が得られ、迅速に測
定を行うことができるので、半導体成膜装置等に用いた
場合、半導体薄膜の成膜中に迅速に測定を行うことがで
きる。As described above, the ellipsometer according to the present invention uses a light source that emits multicolored parallel light as a measurement light source, a beam splitter that splits the reflected light, and a beam splitter that detects the split light. Since a photodetection section consisting of a filter and a photodetector is used as the detection section, measurement values at multiple wavelengths can be obtained in one measurement, and measurements can be performed quickly, making it ideal for semiconductor film deposition equipment, etc. When used for this purpose, measurements can be made quickly during the formation of a semiconductor thin film.

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

【図１】本発明のエリプソメータの一実施例を示す図で
ある。FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of an ellipsometer of the present invention.

【図２】従来のエリプソメータを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a conventional ellipsometer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１……光源部、２……偏光子、３……１／４波長板、４
……試料、５……回転検光子、６……ビームスプリッタ
ー、６ａ〜６ｃ……ハーフプレートミラー、７……全反
射ミラー７、８ａ〜８ｆ……フィルター、９……光検出
器、１０……光検出部、１１……検光子駆動部、１２…
…ＣＰＵ1...Light source section, 2...Polarizer, 3...1/4 wavelength plate, 4
...Sample, 5...Rotating analyzer, 6...Beam splitter, 6a to 6c...Half plate mirror, 7...Total reflection mirror 7, 8a to 8f...Filter, 9...Photodetector, 10... ...Photodetection section, 11...Analyzer drive section, 12...
...CPU

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】　　多色の平行光を発光する光源と、この
光源からの光の試料面への入射光路中に配置される偏光
子と、試料からの反射光路中に配置される検光子と、こ
の検光子からの光を分岐するビームスプリッタと、ビー
ムスプリッタからの分岐光がそれぞれ入射される複数の
光検出部とを備え、この光検出部がそれぞれフィルター
と光検出器とを備えていることを特徴とするエリプソメ
ータ。1. A light source that emits polychromatic parallel light, a polarizer placed in the optical path of the light from the light source entering the sample surface, and an analyzer placed in the optical path of the light reflected from the sample. , a beam splitter that splits the light from the analyzer, and a plurality of photodetectors into which the branched lights from the beam splitters are incident, each of which includes a filter and a photodetector. An ellipsometer characterized by: