JPH04370708A - 小型偏光解析装置 - Google Patents

小型偏光解析装置

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JPH04370708A
JPH04370708A JP14862791A JP14862791A JPH04370708A JP H04370708 A JPH04370708 A JP H04370708A JP 14862791 A JP14862791 A JP 14862791A JP 14862791 A JP14862791 A JP 14862791A JP H04370708 A JPH04370708 A JP H04370708A
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JP
Japan
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light
sample
polarization
light source
wavelength
Prior art date
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Pending
Application number
JP14862791A
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English (en)
Inventor
Yoshihiko Tagawa
田川 良彦
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Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、物質から反射する光の
偏光状態が変化することを利用し、被測定物の膜厚及び
屈折率等の光学定数を非接触に測定する偏光解析装置に
関し、特に、その光学系を改良し、小型化した偏光解析
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】偏光解析装置は、エリプソメータと呼ば
れ、各種物性の測定に使用されているが、その原理は下
記の如きものである。即ち、直線偏光の光が垂直以外の
入射角で、等方かつ平滑な物体表面から反射されるとき
、入射面に平行に振動する電場のベクトル成分と入射面
に垂直に振動する電場のベクトル成分とは、異なる位相
変化と振幅減少を受け、反射光は入射光と異なった偏光
状態になる。この入射光に対する反射光の偏光状態の変
化を光学的に解析し、物体の光学定数又は表面層の厚み
を求めるのが偏光解析法である。
【0003】図3は偏光解析法の説明図である。同図に
おいて、入射光をi、反射光をΥとし、入射面に平行で
光軸と垂直に交差する軸をP、該軸Pと光軸に対して垂
直(紙面に垂直)な軸をSとする。軸Pの電界ベクトル
をEp、軸Sの電界ベクトルをEsとし、それぞれのフ
レネル反射係数をRp及びRsとすると、Rp=EpΥ
/Epi;Rs=EsΥ/Esiとなる。i2=−1な
ので、反射面における複素振幅反射率ρは、 ρ=Rp/Rs=tanψ・exp(iΔ)である。但
し、Δは反射によって生じる軸Pと軸Sとの位相差の変
化量であり、tanψは反射によって生じる軸Pと軸S
との振幅比である。このように多重反射を考慮した構成
を考えるとき、フレネル反射係数は下記の如く表される
【0004】
【数1】
【0005】である。ここで、Υは各界面でのフレネル
反射係数で、Υ1p,Υ1sはその一例として光源側か
ら1番目の界面のものを示している。尚、δはフェーズ
シックネス(phase  thickness)と呼
ばれるもので、Nは光学定数、dは表面層の厚み、λは
光の波長である。ψ及びΔは、惰円率及び主軸の回転か
ら実測される。フレネル反射係数比を実部と虚部とに区
分して整理すると、 Δ=F(N1,N2,N3,Φ1,d,λ)ψ=G(N
1,N2,N3,Φ1,d,λ)で表される。Φ2,Φ
3はスネルの法則によりΦ1で記述されるので、未知数
はN2とdのみで、N2=n2−i・k2であり、絶縁
体で透明なものの場合、k2≒0であるため、2つの未
知数n2及びdをΔ及びψの2つの方程式で解くことが
できる。
【0006】図4は、上記の原理に基づく偏光解析装置
の基本的な構成図である。同図において偏光解析装置は
、光源41、平行光束を得るためのコリメートレンズ群
42、偏光子43、試料44、位相子45、検光子46
、集光レンズ群47、検出器48で成り、コリメートレ
ンズ群42と偏光子43とで偏光系を構成し、位相子4
5と検光子46と集光レンズ群47とで検光系を構成し
ている。前記光源41としては、例えばHe−Neレー
ザ(632.8mm)を使用し、発光されたコヒレント
な光を偏光系により直線偏光を得、これを試料44に照
射する。一般に、直線偏光を反射させると惰円偏光にな
り、その惰円度は試料44によって異なるので、λ/4
板の位相子45を設け、試料44で反射した光が直線偏
光になるようにセットする。この光は、偏光プリズム等
の検光子46及び集光レンズ群47を通して検出器48
により検出されるが、検光子46の回転角を変えること
で検出量を消去することができる。このとき、位相子4
5の回転角(x)及び検光子46の回転角(θ)を読む
ことで図3に示した位相差の変化量Δ及び振幅比tan
ψを得ることができ、試料44の特性を評価する。尚、
光源41にガスレーザを使用すると、ビームの広がりが
小さいのでコリメートレンズ群42及び集光レンズ群4
7が不要になることもある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
装置で光学定数Nと表面層の厚みd即ち膜厚Dとを同時
に測定することは少なく、いずれか一方を既知のものと
して他方を測定する場合が多い。これは、一般的に光学
定数が複素数であるためで、フレネル反射係数もすべて
複素数になる。N2が複素数である場合、未知数がn2
,k2,dの3つとなり、方程式も3つ必要となるが、
これには、λを変える方法,Φ1を変える方法,n3を
変える方法等がある。光学定数Nと膜厚Dを同時に知り
たい場合には、入射角を変えて2回測定するか、波長の
異なる2光源で測定するかの工夫を行い、偏光状態をチ
ェックすればよいが、光源41として例えば水銀ランプ
等を使用する場合、干渉フィルタ等を用いて単波長化し
ているため、波長を変えたいときは適切なフィルタにセ
ットし直さなければならず、しかもフィルタの種類と精
度は限定されていて、可視領域で細かな設定は難しい。 一方、光源41としてガスレーザを使用するのは、出射
光調整が可能な場合に限定される。また、検出に際して
は直線偏光と惰円偏光との補正や直線偏光の偏向角の測
定を行う必要があり、精密な目盛りを備えた位相板や偏
光板が要求され、操作も回転動作を伴うため自動化する
のにもステッピングモータを使用しなければならない。 光学部品及びそのホルダの大きさや除震台の大きさによ
っては光学系がかなりのスペースを占める。いずれも装
置が大型化され、コスト高を招く。数十ミクロンオーダ
の変化をとらえるために光学系の取り扱いは微妙な配慮
を要し、表面の汚れで検出値がバラつきを生じたり、僅
かな接触で系の調整に狂いを生じるなどメンテナンスが
極めて難しい。
【0008】本発明は、このような課題に鑑みて創案さ
れたもので、装置の小型化,メカフリー,耐振構造を実
現して、自動化を容易にすると共に、コストダウンと用
途の拡張を図り、計測時間を短縮し、測定精度と信頼性
を向上させ、メンテナンスを容易にする偏光解析装置を
提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明における上記の課
題を解決するための手段は、試料へコヒレントな光を発
光する光源と、その入射光の試料に対する入射角を選定
する偏光系と、試料からの反射光の位相を判定する検光
系と、反射光の振幅及び光量を測定する検出器とを備え
、位相差の変化量と振幅比とから試料の膜厚と光学定数
を算出する偏光解析装置において、電流制御により発光
波長を選択する半導体レーザの光源と、光の波長で試料
に対する入射角を変更する音響光学素子を使用した偏光
系と、磁界の強さで偏光面が回転させるファラデー素子
を使用した検光系とを備え、試料の膜厚及び複素数の光
学定数を算出する偏光解析装置とするものである。
【0010】
【作用】本発明は、偏光解析装置の光学系を電磁気的な
ものに改良し、各種不便を除くと共に複素数の光学定数
と膜厚との同時測定を可能にし、かつ小型化を実現する
ものである。複素数の光学定数と膜厚の同時測定に対し
ては、1光源−2入射角とするか、2光源−1入射角と
するかのいずれかになるが、本発明では、半導体レーザ
を使用することにより、1光源で小型化を容易にし、電
流制御で2波長を得、この2波長より2入射角を得るた
めに偏光系に音響光学素子を使用するものとした。音響
光学素子は、半導体レーザからの光を透過させる際に超
音波を印加し、レーザ光の波長と超音波の波長に対応し
た回折角でレーザ光ドプラーシフトさせる。偏光系が機
械的なものでないので、検光系もファラデー素子を使用
し、磁界により偏光面を回転させ、試料からの反射光の
位相は測定する。これらは、小型化及び精密さ向上の要
求にも添うものである。
【0011】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。図1は、本発明の一実施例の構成図であ
る。同図において、1はレーザダイオード、2はビーム
の整形プリズム、3は音響光学素子、4は偏光プリズム
、5は試料、6はファラデー素子、7はフォトダイオー
ドである。レーザダイオード1は光源に使用される半導
体レーザで、半導体レーザは半導体に通じた電流エネル
ギを電磁波の光子に変換するもので、半導体の薄い接合
領域で発生したコヒレントな光に、鏡の役目をする磨か
れた端面で方向性を与えている。ビーム整形プリズム2
,音響光学素子3及び偏光プリズム4は偏光系を構成し
ている。音響光学素子3は超音波によって媒体中に屈折
率の疎密が生じ、光が回折する現象を利用するもので、
超音波の波長をΔ、相互作用長さをL、光の波長をλ、
媒体の屈折率をnとすると、2πλL/nΔ<1のとき
ラマン・ナス回折となり、入射光が超音波面に平行の場
合に回折光が最大になる。このときm次の回折光の回折
角はsin(mλ/Δ)となり、超音波の角周波数をΩ
とすると入射光はmΩのドプラーシフトを受けて回折す
る。即ち、前記レーザダイオード1により発光された異
なる波長のビーム光は超音波によりそれぞれ制御されて
回折する。この音響光学素子3は、図2に示す如く省略
しても差し支えなく、その場合は分光がプリズムのみに
よる固定的なものになり、制御されないことになるが、
その代わりに小型化は一層促進されることになる。 試料5からの反射光はファラデー素子6により測定され
る。ファラデー素子6は、本発明の検光系を形成するも
ので、等方性物質を磁界中におき、その方向に直線偏光
を入射させると偏光面が回転し、その回転角は磁界の強
さと偏光の通過距離との積に比例する現象を利用して、
従来の位相板と同様な機能を得るものである。フォトダ
イオード7は公知の光電変換手段で、検出器である。
【0012】本実施例は下記の効果が明らかである。
【0013】(1)光源をレーザダイオードにしたので
、従来のガスレーザや水銀ランプに比較して小型になっ
たうえ除震台を従来のメートル角のものからセンチ角の
アルミダイキャストにしたり、光路をガラスブロック中
に納めることもでき、小型化が容易である。
【0014】(2)レーザダイオード及び音響光学変調
の採用により、波長を任意に変換できるので、測定精度
が向上する。
【0015】(3)偏光板や位相板の機械駆動部をファ
ラデー素子に交替させたので、メカフリーになり、信頼
性が増す。ファラデー素子の採用により自動化が容易に
なると共に、計測時間が短縮される。また、ファラデー
素子はセンチ角の大きさで、従来のプリズム及び回転ホ
ルダがメートル角であるのに較べて遥かに小さい。
【0016】(4)レーザダイオードや音響光学素子、
ファラデー素子の採用によりレンズ群が省略され、装置
全体が小型化する。
【0017】(5)装置の小型化,メカフリー,耐振構
造によりメンテナンスが容易になる。
【0018】(6)実際上、従来の偏光解析装置のサイ
ズが8000×8000mm2程度あったのに対して、
本実施例の装置のサイズは500×500mm2程度で
、コストダウンになるうえ、蒸着装置の膜厚モニタや膜
質モニタなど各種装置にセンサとして組み込むことがで
き、用途が拡大する。
【0019】
【発明の効果】以上、説明したとおり、本発明によれば
、LDやファラデー等の採用により、装置の小型化,メ
カフリー,耐振構造を実現して、自動化を容易にすると
共に、コストダウンと用途の拡張を図り、計測時間を短
縮し、測定精度と信頼性を向上させ、メンテナンスを容
易にする偏光解析装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の構成図。
【図2】本発明の別の実施例の構成図。
【図3】偏光解析法の原理図。
【図4】従来例の構成図。
【符号の説明】
1,21…レーザダイオード、2,22…ビーム整形プ
リズム、3…音響光学素子、4,23…偏光プリズム、
5,24,44…試料、6,25…ファラデー素子、7
,26…フォトダイオード、41…光源、42…コリメ
ートレンズ群、43…偏光子、45…位相子、46…検
光子、47…集光レンズ群、48…検出器。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  試料へコヒレントな光を発光する光源
    と、その入射光の試料に対する入射角を選定する偏光系
    と、試料からの反射光の位相を判定する検光系と、反射
    光の振幅及び光量を測定する検出器とを備え、位相差の
    変化量及び振幅比から試料の膜厚及び光学定数を算出す
    る偏光解析装置において、電流制御により発光波長を選
    択可能な半導体レーザを光源に使用し、複素数の光学定
    数を算出することを特徴とする偏光解析装置。
  2. 【請求項2】  請求項1に記載の偏光系として、光の
    波長により試料に対する入射角を変更する音響光学素子
    を使用することを特徴とする偏光解析装置。
  3. 【請求項3】  請求項1に記載の検光系として、磁界
    の強さで偏光面を回転させるファラデー素子を使用する
    ことを特徴とする偏光解析装置。
JP14862791A 1991-06-20 1991-06-20 小型偏光解析装置 Pending JPH04370708A (ja)

Priority Applications (1)

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JP14862791A JPH04370708A (ja) 1991-06-20 1991-06-20 小型偏光解析装置

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ID=15457018

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JP14862791A Pending JPH04370708A (ja) 1991-06-20 1991-06-20 小型偏光解析装置

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010507089A (ja) * 2006-10-18 2010-03-04 バルティオン テクニリーネン トゥトキムスケスクス 表面および厚みの決定

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010507089A (ja) * 2006-10-18 2010-03-04 バルティオン テクニリーネン トゥトキムスケスクス 表面および厚みの決定

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