JPH05133811A - Ellipso-parameter measuring method and ellipsometer - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To improve the measuring speed of an ellipsometer and, at the same time, to discriminate the quadrant to which a phase difference which is an ellipso-parameter belongs by one time of measurement by eliminating the mobile optical member incorporated in the ellipsometer. CONSTITUTION:By separating elliptically polarized light which is made incident on an object to be measured from a light source section and reflected by the object into four different polarized components and detecting the light intensity of each polarized component, ellipso-parameters psi and DELTA are calculated from formulae, tan(DELTA-phi0)=sigmaR(I1-I2)/sigmaT(I3-I4) and tanpsi=[chi(sigmaR<2>-sigmaT<2>)/2]X[sigmaR<2>(I 1-I2)<2>+sigmaT<2>(I3-I4)<2>]<1/2>divided by [sigmaR<2>(I1+I2)-sigmaT<2>(I3+I4)]. The phase difference phi0 and amplitude ratio X of the formulae are parameters which are decided depending upon the polarized state of the light made incident to the object to be measured and sigmaR and sigmaT are constants which are decided depending upon the optical system which separates the reflected light into the four polarized components.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は薄い膜厚を測定する場合
に用いるエリプソパラメータを測定するエリプソパラメ
ータ測定方法およびこの測定方法を用いてエリプソパラ
メータを測定す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 measuring method for measuring an ellipsometer used for measuring a thin film thickness and an ellipsometer for measuring an ellipsometer using this measuring method.

【０００２】[0002]

【従来の技術】薄膜の膜厚を測定する手法としてエリプ
ソメトリ手法が用いられる。この手法は、薄膜等の試料
面で光が反射する際の偏光状態の変化、すなわち電場ベ
クトルの入射面に平行な成分（Ｐ成分）の反射率Ｒｐ
と、垂直な成分（Ｓ成分）の反射率Ｒｓとの比ρを(3)
式で測定して、すでに確立されている偏光反射率比ρと
膜厚ｄとの一定の関係に従って、この膜厚ｄを求める。 ρ＝Ｒｐ／Ｒｓ＝ tanψ exp［ｊΔ］ …(3)2. Description of the Related Art The ellipsometry method is used as a method for measuring the thickness of a thin film. This method changes the polarization state when light is reflected by the sample surface such as a thin film, that is, the reflectance Rp of the component (P component) parallel to the incident surface of the electric field vector.
And the ratio ρ of the reflectance Rs of the vertical component (S component) to (3)
This film thickness d is obtained according to the established relationship between the polarization reflectance ratio ρ and the film thickness d, which is already measured. ρ = Rp / Rs = tan ψ exp [jΔ] (3)

【０００３】ここで、偏光反射率比ρは、(3) 式に示す
ように、一般に複素数であるので、２つのエリプソパラ
メータ、つまり振幅比ψ、および位相差Δを求める必要
がある。Here, the polarization reflectance ratio ρ is generally a complex number as shown in the equation (3), and therefore two ellipso parameters, that is, the amplitude ratio ψ and the phase difference Δ need to be obtained.

【０００４】従来このエリプソパラメータψ，Δを求め
る方法として、消光法と言われる方式がある。この方法
においては、例えば、光源から測定対象に対して所定角
度で偏光した光を入射させ、その測定対象からの楕円偏
光された反射光を１／４波長板と検光子とを透過させて
受光器に導く。そして、受光器で得られる光強度信号を
例えば測定器で監視しながら前記１／４波長板と検光子
をそれぞれ回転させて光強度が最小になる回転角度を得
て、この回転角度から前記エリプソパラメータを算出す
る。しかし、この方法においては、検光子を回転させて
光強度の最小角度位置を探す必要があるので、測定に多
大の時間が必要であった。Conventionally, there is a method called an extinction method as a method for obtaining the ellipso parameters ψ and Δ. In this method, for example, light polarized at a predetermined angle is incident on a measurement target from a light source, and elliptically-polarized reflected light from the measurement target is transmitted through a quarter-wave plate and an analyzer to be received. Lead to a vessel. Then, while monitoring the light intensity signal obtained by the light receiver with, for example, a measuring device, the quarter wavelength plate and the analyzer are rotated to obtain a rotation angle at which the light intensity is minimized, and from this rotation angle, the ellipso Calculate the parameters. However, in this method, it is necessary to rotate the analyzer to search for the minimum angular position of the light intensity, and therefore a large amount of time is required for the measurement.

【０００５】そこで、上記エリプソパラメータを比較的
高速に測定する手法として、回転検光子を用いる手法が
提唱されている。すなわち、この測定方法においては、
上記消光法と同様に光源から測定対象に対して例えば４
５°等の所定角度に直線偏光した光を入射させ、測定側
の回転検光子を角速度ωで回転させたときに受光器にて
得られる光強度の出力波形は、定数倍を除けば、ジョー
ンズ・ペクトルを用いて(4) 式で示される。Therefore, a method using a rotary analyzer has been proposed as a method for measuring the ellipso parameter at a relatively high speed. That is, in this measuring method,
Similar to the above extinction method, for example, 4
The output waveform of the light intensity obtained by the photodetector when linearly polarized light is made incident at a predetermined angle such as 5 ° and the rotary analyzer on the measurement side is rotated at an angular velocity ω is Jones except for a constant multiple. -It is expressed by the equation (4) using a vector.

【０００６】[0006]

【数１】 は、４５°方向の入射直線偏光を示す。第１成分は、Ｐ
偏光成分を、第２成分はＳ偏光成分を示している。ま
た、[Equation 1] Indicates incident linearly polarized light in the 45 ° direction. The first component is P
The polarization component and the second component are S polarization components. Also,

【０００７】[0007]

【数２】 [Equation 2]

【０００８】は、角速度ωで回転する回転検光子の時刻
ｔにおける作用を示す行列である。但し、時刻ｔ＝０で
回転検光子はＰ偏光（基準方向に対して０°の直線偏
光）を検出する向きに位置決めされている。この場合、
(4) 式からエリプソパラメータΔ，ψを求める。[Mathematical formula-see original document] is a matrix showing the action of the rotary analyzer rotating at the angular velocity [omega] at time t. However, at time t = 0, the rotary analyzer is positioned so as to detect P-polarized light (linearly polarized light of 0 ° with respect to the reference direction). in this case,
Obtain the ellipso parameters Δ and ψ from Eq. (4).

【０００９】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た回転検光子を用いたエリプソパラメータ測定方法にお
いても次のように課題があった。However, the ellipso parameter measuring method using the above-mentioned rotary analyzer has the following problems.

【００１０】１） エリプソパラメータΔ，ψを求める
(4) 式の形から理解できるように、位相差の情報が［ c
osΔ］の形で得られるので、正しい位相差が、Δである
のか（３６０°−Δ）であるかの区別がつかない。ま
た、入射光として円偏光を用いた場合の出力波形は(8)
式で示される。1) Obtain the ellipso parameters Δ and ψ
As can be understood from the form of equation (4), the information on the phase difference is [c
osΔ], it is impossible to distinguish whether the correct phase difference is Δ or (360 ° −Δ). The output waveform when circularly polarized light is used as the incident light is (8)
It is shown by the formula.

【００１１】[0011]

【数３】 [Equation 3]

【００１２】この場合においても、エリプソパラメータ
のうちの位相差の情報は［ sinΔ］の形で得られるの
で、正しい位相差が、Δであるのか（９０°−Δ）であ
るかの区別がつかない。Also in this case, since the information on the phase difference among the ellipso parameters is obtained in the form of [sin Δ], it is possible to distinguish whether the correct phase difference is Δ or (90 ° −Δ). Absent.

【００１３】したがって、この得られた位相差Δが第１
象限（０°〜９０°）から第４象限（２７０°〜３６０
°）のうちのいずれの象限（ゾーン）に所属するかを判
定する必要がある。この判定を一般にゾーン判定と称し
ている。一般的なゾーン判定手法として、測定対象に対
する入射光の光路に１／４波長板を挿入して入射光を円
偏光とした場合の出力波形と、１／４波長板を挿入しな
いで入射光を直線偏光とした場合の出力波形とを求め
て、この両方の出力波形を比較対照することによって所
属ゾーンを判定する手法が採用されている。しかし、こ
の手法においては、同一測定点に対して２回の測定を実
施する必要があり、前述した消光法に比較して、格段に
測定能率が上昇するとは限らない。Therefore, the obtained phase difference Δ is the first
Quadrant (0 ° to 90 °) to 4th quadrant (270 ° to 360)
It is necessary to determine which quadrant (zone) of ()) to which it belongs. This determination is generally called zone determination. As a general zone determination method, an output waveform when a ¼ wavelength plate is inserted in the optical path of the incident light with respect to the measurement target to make the incident light circularly polarized, and an incident light without the ¼ wavelength plate A method is employed in which the output waveform in the case of linearly polarized light is obtained and the output waveforms of both are compared and compared to determine the belonging zone. However, in this method, it is necessary to perform the measurement twice at the same measurement point, and the measurement efficiency does not always increase remarkably as compared with the above-described extinction method.

【００１４】２） 測定対象からの反射光は楕円偏光を
有するが、この楕円が円に近い場合は、測定精度が低下
する問題があった。すなわち、(4) 式または(8) 式の波
形を離散フーリエ変換して得られるcos2ψとsin2ψ・co
s Δ（またはsin2ψ・sin Δ）から位相差Δを求める
が、例えば直線偏光入射で位相差Δが９０°近傍の場
合、（sin2ψ・cos Δ・cos2ωt ）が常にほとんど０と
なり、位相差Δの情報を含んだ有効な信号成分が小さく
なり、位相差Δの測定精度が大幅に低下する。したがっ
て、高い測定精度を得るためには、測定対象に応じて、
１／４波長板を入射光または反射光の光路に介挿して、
測定系に入射される反射光の楕円偏光状態を変更する必
要がある。よって、測定作業能率がさらに低下する。2) The reflected light from the object to be measured has an elliptically polarized light, but if this ellipse is close to a circle, there is a problem that the measurement accuracy decreases. That is, cos2ψ and sin2ψ ・ co obtained by the discrete Fourier transform of the waveform of Eq. (4) or (8)
The phase difference Δ is calculated from s Δ (or sin2ψ · sin Δ). For example, when linearly polarized light is incident and the phase difference Δ is near 90 °, (sin2ψ · cos Δ · cos2ωt) is almost 0, and the phase difference Δ The effective signal component containing information becomes small, and the measurement accuracy of the phase difference Δ is significantly reduced. Therefore, in order to obtain high measurement accuracy,
Insert a quarter-wave plate in the optical path of incident light or reflected light,
It is necessary to change the elliptically polarized state of the reflected light incident on the measurement system. Therefore, the measurement work efficiency further decreases.

【００１５】３） 一つの測定を実行する場合に必ず検
光子を１回転させる必要があり、その回転には一定以上
の時間が必要である。したがって、高速で移動している
測定対象のエリプソパラメータψ，Δを求めて、このエ
リプソパラメータから膜厚ｄを測定することは不可能で
ある、また、機械的な可動部分が存在するので装置自体
が大型化し、工場の製造ライン等に据付け、オンライン
で例えば連続して供給される測定対象の膜厚を測定する
ことはできなかった。3) When performing one measurement, the analyzer must be rotated once, and the rotation requires a certain time or more. Therefore, it is impossible to obtain the ellipso parameters ψ and Δ of the measurement object that is moving at a high speed and measure the film thickness d from the ellipso parameters. Further, since the mechanical movable portion exists, the apparatus itself However, it was not possible to measure the film thickness of a measurement target which is installed on a manufacturing line of a factory or the like and is continuously supplied online, for example.

【００１６】４） 検光子を回転させる機構や１／４波
長板を光路に対して挿脱する機構が必要である。これら
の機構には多数の可動部材が組込まれており、装置自体
が大型化するので、エリプソメータの設置場所が例えば
研究室内等の比較的広くて環境のよい場所に限定され
る。4) A mechanism for rotating the analyzer and a mechanism for inserting / removing the 1/4 wavelength plate with respect to the optical path are required. Since a large number of movable members are incorporated in these mechanisms and the size of the apparatus itself increases, the installation location of the ellipsometer is limited to a relatively large and environmentally friendly place such as a laboratory.

【００１７】また、機械的に可動するので、可動に要す
る多大の時間が必要となる。その結果、一つの測定点に
対して１／４波長板を挿脱して検光子を２回回転させる
と、１つの測定点に対する測定を実施するのに数秒の時
間を必要とし、オンライン状態における高速測定が不可
能であった。Further, since it is mechanically movable, a large amount of time is required for the movement. As a result, when the 1/4 wavelength plate is inserted into and removed from one measurement point and the analyzer is rotated twice, it takes several seconds to perform the measurement for one measurement point, and high speed in online state is required. The measurement was impossible.

【００１８】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、測定対象にて反射された楕円偏光をそれぞ
れ互いに異なる４つの偏光成分に分離して各偏光成分の
光強度を検出してこの４つの光強度から計算式を用いて
エリプソパラメータを算出することにより、検光子を回
転する必要なく、また１／４波長板を光路に対して挿脱
する必要なく、その結果、固定部材のみで構成でき、可
動部材を使用したことに起因する可動所要時間を省略で
き、１度の測定でほぼ瞬時にエリプソパラメータを測定
でき、しかして、たとえ移動状態の測定対象に対しても
オンライン状態でエリプソパラメータが測定でき、かつ
膜厚も測定できるエリプソパラメータの測定方法およぴ
エリプソメータを提供することを目的とする。The present invention has been made in view of such circumstances, and separates the elliptically polarized light reflected by the object to be measured into four different polarization components and detects the light intensity of each polarization component. By calculating the ellipso parameter from these four light intensities using a calculation formula, it is not necessary to rotate the analyzer, and it is not necessary to insert / remove the quarter wavelength plate in / from the optical path. The moving time required due to the use of the movable member can be omitted, and the ellipso parameter can be measured almost instantly by one measurement. Even if the moving object is in the online state, It is an object of the present invention to provide an ellipsometer measurement method and ellipsometer capable of measuring an ellipsometer and a film thickness.

【００１９】[0019]

【課題を解決するための手段】上記課題を解消するため
に本発明のエリプソパラメータ測定方法においては、測
定対象に偏光した光を所定角度で入射させ、この測定対
象の反射光をそれぞれ互いに異なる４つの偏光成分に分
離し、この分離された４つの偏光成分の各光強度Ｉ1 ，
Ｉ2 ，Ｉ3 ，Ｉ4 から下記(1)(2)式を用いて、反射光に
おける楕円偏光の位相差Δおよび振幅比ψからなるエリ
プソパラメータを求める。 tan（Δ−φ₀ ）＝σＲ（Ｉ1 −Ｉ2 ）／σＴ（Ｉ3 −Ｉ4 ） …(1) tanψ＝［χ（σＲ² −σＴ² ）／２］ ×［σＲ² （Ｉ1 −Ｉ2 ）² ＋σＴ² （Ｉ3 −Ｉ4 ）² ］^1/2 ÷［σＲ² （Ｉ1 ＋Ｉ2 ）−σＴ² （Ｉ3 ＋Ｉ4 ）］ …(2) In order to solve the above-mentioned problems, in the ellipsoparameter measuring method of the present invention, polarized light is incident on a measuring object at a predetermined angle, and reflected light of the measuring object is different from each other. The light intensity I1 of each of the four polarization components separated is divided into four polarization components,
From I2, I3, and I4, the ellipso parameter consisting of the phase difference Δ and the amplitude ratio ψ of the elliptically polarized light in the reflected light is obtained using the following equations (1) and (2). tan (Δ−φ ₀ ) = σR (I 1 −I 2) / σT (I 3 −I 4) ... (1) tan ψ = [χ (σR ² −σT ² ) / 2] × [σR ² (I1-I2) ² + ΣT ² (I3 -I4) ² ] ^1/2 ÷ [σR ² (I1 + I2) -σT ² (I3 + I4)] (2)

【００２０】但し、位相差φ₀ および振幅比χは測定対
象に対する入射光の偏光状態で定まるパラメータであ
り、σＲおよびσＴは反射光を４つの偏光成分に分離す
る光学系で定まる定数である。However, the phase difference φ ₀ and the amplitude ratio χ are parameters that are determined by the polarization state of the incident light with respect to the measurement target, and σR and σT are constants that are determined by the optical system that separates the reflected light into four polarization components.

【００２１】また、別の発明においては、(1) 式の［σ
Ｒ（Ｉ1 −Ｉ2 ）］項と［σＴ（Ｉ3 −Ｉ4 ）］項との
間における正負関係に従って、算出された位相差Δの所
属象限を判別する。Further, in another invention, [σ
The belonging quadrant of the calculated phase difference Δ is determined according to the positive / negative relationship between the R (I1−I2) term and the [σT (I3−I4)] term.

【００２２】また、別の発明のエリプソメータにおいて
は、偏光した光を測定対象に所定角度で入射させる光源
部と、測定対象にて反射された反射光を互いに異なる２
方向に分岐する無偏光ビームスプリッタと、この無偏光
ビームスプリッタにて分岐された各光の位相を相対的に
変化させる波長板と、この波長板にて互いに位相差が生
じた各光をそれぞれ異なる２偏光方向に分離し、最終的
に測定対象の反射光をそれぞれ互いに異なる４つの偏光
成分に分離する複数の光学部材と、この複数の光学部材
にて分離された各偏光成分の光強度Ｉ1 ，Ｉ2 ，Ｉ3 ，
Ｉ4 を検出する４個の受光器と、この４個の受光器にて
検出された４つの光強度から上述した(1)(2)式を用い
て、反射光における楕円偏光の位相差Δおよび振幅比ψ
からなるエリプソパラメータを算出する演算部とを備え
ている。Further, in the ellipsometer of another invention, the light source section for making polarized light incident on the measuring object at a predetermined angle and the reflected light reflected by the measuring object are different from each other.
A non-polarizing beam splitter that splits in a direction, a wave plate that relatively changes the phase of each light split by this non-polarizing beam splitter, and each light that has a phase difference with this wavelength plate A plurality of optical members for separating the polarized light into two polarization directions and finally separating the reflected light of the measurement target into four different polarization components, and the light intensities I1 of the respective polarization components separated by the plurality of optical members, I2, I3,
Using the four light receivers that detect I4 and the four light intensities detected by these four light receivers, using the above equations (1) and (2), the phase difference Δ of the elliptically polarized light in the reflected light and Amplitude ratio ψ
And an arithmetic unit for calculating an ellipso parameter.

【００２３】[0023]

【作用】まず、このように構成されたエリプソパラメー
タ測定方法の動作原理を説明する。前述したように、光
源部から偏光した光が所定角度φで測定対象に入射する
と、例えば図３に示すように、この測定対象にて反射さ
れる反射光は測定対象の膜厚等で定まる一定形状の楕円
偏光を有する。そして、エリプソパラメータψ，Δは反
射光のＰ成分とＳ成分との振幅比ψと位相差Δである。
したがって、本来ならば、パラメータは２つであるが、
例えば入射光が直線偏光の場合は、位相差Δの符号は前
記楕円偏光が右回りか左回りかで定まる。しかし、受光
器で測定された光強度には楕円偏光の回転方向の情報が
含まれないので、さらにもう一つ独立した情報となる光
強度が必要となる。このように３つの光強度が得られれ
ばよいが、絶対光量によらない無次元演算を行うために
４つの光強度が必要となる。以下(1)(2)式を求める手順
を説明する。First, the operation principle of the ellipso parameter measuring method thus constructed will be described. As described above, when the polarized light from the light source unit is incident on the measurement target at a predetermined angle φ, the reflected light reflected by the measurement target is constant as determined by the film thickness of the measurement target as shown in FIG. 3, for example. It has a shape of elliptically polarized light. Then, the ellipso parameters ψ and Δ are the amplitude ratio ψ and the phase difference Δ between the P component and the S component of the reflected light.
Therefore, although originally there are two parameters,
For example, when the incident light is linearly polarized light, the sign of the phase difference Δ depends on whether the elliptically polarized light is clockwise or counterclockwise. However, since the light intensity measured by the light receiver does not include the information about the rotation direction of the elliptically polarized light, another light intensity that is independent information is required. It is only necessary to obtain three light intensities as described above, but four light intensities are required for performing dimensionless calculation that does not depend on the absolute light amount. The procedure for obtaining the equations (1) and (2) will be described below.

【００２４】例えば、入射光を測定対象の入射面に対し
て４５°方向の直線偏光とした場合に、偏光方向が互い
に異なる各光強度Ｉ1 ，Ｉ2 ，Ｉ3 ，Ｉ4 における任意
のチャンネルｉ（ｉ＝1,2,3,4 ）の出力波形は前述した
ように定数倍を除けば、ジョーンズ・ベクトルを用いて
(9) 式で示すことができる。For example, when the incident light is linearly polarized in the direction of 45 ° with respect to the incident surface of the object to be measured, arbitrary channels i (i = i = i = i = i2, I3, I4) having different polarization directions are used. The output waveform of (1,2,3,4) is obtained by using the Jones vector except constant multiplication as described above.
It can be expressed by equation (9).

【００２５】[0025]

【数４】 は、Ｐ偏光とＳ偏光との振幅比χ，位相差φ₀ の入射偏
光を示している。また、[Equation 4] Indicates incident polarized light having an amplitude ratio χ of P-polarized light and S-polarized light and a phase difference φ ₀ . Also,

【００２６】[0026]

【数５】 は、角度Aiで置かれた検光子を示す行列である。例え
ば、 A1＝ ４５°，σ1 ＝σＲ，δ1 ＝π／２ A2＝−４５°，σ2 ＝σＲ，δ2 ＝π／２ A3＝ ４５°，σ3 ＝σＴ，δ3 ＝０ A4＝−４５°，σ4 ＝σＴ，δ4 ＝０ …(14) とすると、各チャンネルの光強度Ｉi （ｉ＝1,2,3,4 ）
は受光器のゲインを適当に選べは(15)式に示すようにな
る。 Ｉ1 ＝（Ｉ₀ ／σＲ² ） ×［ tan² ψ＋（σＲ・χ）² ＋２σＲ・χ・ tanψ・sin(Δ−φ₀ ) ］ Ｉ2 ＝（Ｉ₀ ／σＲ² ） ×［ tan² ψ＋（σＲ・χ）² −２σＲ・χ・ tanψ・sin(Δ−φ₀ ) ］ Ｉ3 ＝（Ｉ₀ ／σＴ² ） ×［ tan² ψ＋（σＴ・χ）² ＋２σＴ・χ・ tanψ・cos(Δ−φ₀ ) ］ Ｉ4 ＝（Ｉ₀ ／σＴ² ）[Equation 5] Is a matrix showing the analyzers placed at the angle Ai. For example, A1 = 45 °, σ1 = σR, δ1 = π / 2 A2 = −45 °, σ2 = σR, δ2 = π / 2 A3 = 45 °, σ3 = σT, δ3 = 0 A4 = −45 °, σ4 = ΣT, δ4 = 0 (14), the light intensity Ii of each channel (i = 1,2,3,4)
Is as shown in Eq. (15), where the gain of the receiver can be selected appropriately. I 1 = (I ₀ / σR ² ) × [tan ² ψ + (σR · χ) ² + 2σR · χ · tan ψ · sin (Δ−φ ₀ )] I 2 = (I ₀ / σR ² ) × [tan ² ψ + (σR · χ) ² −2σR · χ · tan ψ · sin (Δ−φ ₀ )] I3 = (I ₀ / σT ² ) × [tan ² ψ + (σT · χ) ² + 2σT · χ · tan ψ · cos (Δ−φ ₀ )] I4 = (I ₀ / σT ² )

【００２７】 ×［ tan² ψ＋（σＴ・χ）² −２σＴ・χ・ tanψ・cos(Δ−φ₀ ) ］ …(15) 但し、Ｉ₀ は入射光の強度や測定対象の反射率に依存す
る定数である。× [tan ² ψ + (σT · χ) ² −2σT · χ · tan ψ · cos (Δ−φ ₀ )] (15) where I ₀ is a constant that depends on the intensity of incident light and the reflectance of the measurement target.

【００２８】したがって、これら式(15)に示す４つの式
からなる連立方程式を解くことによって、エリプソパラ
メータの位相差Δおよび振幅比ψを各光強度Ｉ1 ，Ｉ2
，Ｉ3 ，Ｉ4 から求める前述した(1) (2) 式が得られ
る。 tan（Δ−φ₀ ）＝σＲ（Ｉ1 −Ｉ2 ）／σＴ（Ｉ3 −Ｉ4 ） …(1) tanψ＝［χ（σＲ² −σＴ² ）／２］ ×［σＲ² （Ｉ1 −Ｉ2 ）² ＋σＴ² （Ｉ3 −Ｉ4 ）² ］^1/2 ÷［σＲ² （Ｉ1 ＋Ｉ2 ）−σＴ² （Ｉ3 ＋Ｉ4 ）］ …(2) Therefore, the phase difference Δ and the amplitude ratio ψ of the ellipso parameters are calculated to solve the light intensities I1 and I2 by solving the simultaneous equations consisting of the four equations shown in the equation (15).
, I3, I4, the above-mentioned equations (1) and (2) are obtained. tan (Δ−φ ₀ ) = σR (I 1 −I 2) / σT (I 3 −I 4) ... (1) tan ψ = [χ (σR ² −σT ² ) / 2] × [σR ² (I1-I2) ² + ΣT ² (I3 -I4) ² ] ^1/2 ÷ [σR ² (I1 + I2) -σT ² (I3 + I4)] (2)

【００２９】また、前記(15)式にはsin(Δ−φ₀ )とcos
(Δ−φ₀ ) の両方の情報が含まれている。したがっ
て、(1) 式で算出された位相差Δが第１象限から第４象
限までのどの象限に所属するかが自動的に判断できる。
すなわち、σＲ（Ｉ1 −Ｉ2）＝Ａ，σＴ（Ｉ3 −Ｉ4
）＝Ｂとすると、Ａ，Ｂの間の正負関係に従って下記
のように判断することが可能である。 (1) Ａ＞０，Ｂ＞０の場合、 第１象限（ ０°＜
Δ＜ ９０°） (2) Ａ＞０，Ｂ＜０の場合、 第２象限（ ９０°＜
Δ＜１８０°） (3) Ａ＜０，Ｂ＜０の場合、 第３象限（１８０°＜
Δ＜２７０°） (4) Ａ＜０，Ｂ＞０の場合、 第４象限（２７０°＜
Δ＜３６０°）Further, in the equation (15), sin (Δ−φ ₀ ) and cos
Both information of (Δ−φ ₀ ) is included. Therefore, it can be automatically determined to which quadrant from the first quadrant to the fourth quadrant the phase difference Δ calculated by the equation (1) belongs.
That is, σR (I1 −I2) = A, σT (I3 −I4)
) = B, it is possible to make the following determination according to the positive / negative relationship between A and B. (1) When A> 0 and B> 0, the first quadrant (0 ° <
Δ <90 °) (2) In the case of A> 0 and B <0, the second quadrant (90 ° <
Δ <180 °) (3) In the case of A <0 and B <0, the third quadrant (180 ° <
Δ <270 °) (4) When A <0, B> 0, the fourth quadrant (270 ° <
Δ <360 °)

【００３０】したがって、算出された位相差Δが第１象
限から第４象限までのどの象限に所属するのかも同時に
判断できる。その結果、得られた位相差Δの真の値がΔ
であるのか、または（３６０°−Δ），（９０°−
Δ），…であるのかが正確に判断できる。Therefore, it can be simultaneously determined which quadrant from the first quadrant to the fourth quadrant the calculated phase difference Δ belongs to. As a result, the true value of the obtained phase difference Δ is Δ
Or (360 ° -Δ), (90 °-
It is possible to accurately judge whether Δ), ...

【００３１】このように、同時刻で測定された各光強度
Ｉ1 ，Ｉ2 ，Ｉ3 ，Ｉ4 からエリプソパラメータΔ，ψ
が所属象限を含めて計算されるために、移動状態の測定
対象であっても測定が可能である。また、膜厚の面内分
布等の非常に多点を測定する場合においても大幅に測定
時間が短縮できる。Thus, the ellipso parameters Δ, ψ are calculated from the respective light intensities I1, I2, I3, I4 measured at the same time.
Is calculated including the quadrants to which it belongs, it is possible to measure even a moving object to be measured. In addition, the measurement time can be greatly shortened even when measuring very many points such as the in-plane distribution of the film thickness.

【００３２】なお、図３（ａ）と図３（ｂ）とに示した
光の偏光状態はあくまでも相対的なものであり、これら
に限定されるものではない。したがって、図３（ａ）に
当初より異なる位相のずれが与えられていても、図３
（ｂ）との関係上、既知の位相差が規定できれば本願発
明は成立する。The polarization states of light shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b) are relative and are not limited to these. Therefore, even if a different phase shift is given from the beginning in FIG.
In view of the relationship with (b), the invention of the present application is established if a known phase difference can be defined.

【００３３】また、本発明のエリプソメータにおいて、
測定対象にて反射された楕円偏光を有する反射光は、無
偏光ビームスプリッタで２方向に分岐され、分岐された
各光の位相は波長板にて相対的に変化させられる。互い
に位相差が生じた各光はさらに各光学系によってそれぞ
れ２方向の偏光成分に分離される。そして、最終的にそ
れぞれ互いに異なる４つの偏光成分が得られ、各光強度
に変換される。この４つの光強度から(1)(2)式を用いて
エリプソパラメータの振幅比ψおよび位相差Δが求ま
る。In the ellipsometer of the present invention,
The reflected light having the elliptically polarized light reflected by the measurement target is branched into two directions by the non-polarization beam splitter, and the phase of each branched light is relatively changed by the wave plate. The respective lights having a phase difference with each other are further separated into polarized components in two directions by the respective optical systems. Finally, four polarization components different from each other are finally obtained and converted into respective light intensities. From these four light intensities, the amplitude ratio ψ and the phase difference Δ of the ellipso parameters can be obtained by using the equations (1) and (2).

【００３４】[0034]

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を用いて説明す
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【００３５】図２は実施例のエリプソパラメータ測定方
法を採用したエリプソメータ全体を示すブロック図であ
る。図中１は軽金属材料で形成されたケースに収納され
たエリプソメータ本体である。このエリプソメータ本体
１から出力された各光強度Ｉ1 ，Ｉ2 ，Ｉ3 ，Ｉ4 はＡ
／Ｄコンバータ２でデジタル値に変換された後、演算部
としてのパーソナルコンピュータ３へ入力される。この
パーソナルコンピュータ３は、入力された各光強度Ｉ1
，Ｉ2 ，Ｉ3 ，Ｉ4 を用いてエリプソパラメータψ，
Δを算出する。さらに、この算出されたエリプソパラメ
ータψ，Δを用いて測定対象としての試料面４の膜厚ｄ
を所定の演算式を用いて算出する。FIG. 2 is a block diagram showing the entire ellipsometer adopting the ellipsometer parameter measuring method of the embodiment. In the figure, reference numeral 1 denotes an ellipsometer body housed in a case made of a light metal material. The light intensities I1, I2, I3, I4 output from the ellipsometer body 1 are A
After being converted into a digital value by the / D converter 2, the digital value is input to the personal computer 3 as an arithmetic unit. This personal computer 3 receives each input light intensity I1
, I2, I3, and I4, the ellipso parameter ψ,
Calculate Δ. Further, using the calculated ellipso parameters ψ and Δ, the film thickness d of the sample surface 4 to be measured is
Is calculated using a predetermined arithmetic expression.

【００３６】ここで、Ａ／Ｄコンバータ２は各光強度Ｉ
1 ，Ｉ2 ，Ｉ3 ，Ｉ4 を時分割して順番にＡ／Ｄ変換し
ていく。なお、１個の光強度の変換時間は約１０μsec
である。したがって、パーソナルコンピュータ３におけ
る計算時間も含めて、試料面４上のサンプリングされた
１つ測定点のエリプソパラメータψ，Δおよび膜厚ｄの
測定時間は約１００μsec である。なお、各光強度Ｉ1
，Ｉ2 ，Ｉ3 ，Ｉ4 は同時に測定して電圧保持回路で
保持するので、たとえ試料面４が高速で移動したとして
も十分対処できる。Here, the A / D converter 2 outputs each light intensity I
1, I2, I3, I4 are time-divided and A / D-converted in order. The conversion time for one light intensity is about 10 μsec.
Is. Therefore, including the calculation time in the personal computer 3, the measurement time of the ellipso parameters ψ, Δ and the film thickness d at one measurement point sampled on the sample surface 4 is about 100 μsec. In addition, each light intensity I1
, I2, I3, I4 are simultaneously measured and held by the voltage holding circuit, so that even if the sample surface 4 moves at a high speed, it can be sufficiently dealt with.

【００３７】図１は、前記エリプソメータ本体１の内部
構成図である。例えば半導体レーザのレーザ光源５から
出力された単一波長を有するレーザ光線は偏光子６で基
準方向に対して−４５°の直線偏光に変換される。した
がって、レーザ光源５および偏光子６は光源部７を構成
する。直線偏光に変換された入射光８は光源部７から試
料面４へ角度φで入射される。なお、前記基準方向は、
試料面４側から見て図中矢印Ａ方向で示すように、入射
光８の入射面に対して平行な方向を方位０°とする方向
である。ここで、入射面とは入射光８および反射光９を
含む資料面４に垂直な平面である。FIG. 1 is an internal block diagram of the ellipsometer body 1. For example, a laser beam having a single wavelength output from the laser light source 5 of a semiconductor laser is converted by the polarizer 6 into linearly polarized light of −45 ° with respect to the reference direction. Therefore, the laser light source 5 and the polarizer 6 form the light source unit 7. The incident light 8 converted into the linearly polarized light is incident on the sample surface 4 from the light source section 7 at an angle φ. The reference direction is
As shown by the arrow A direction in the figure when viewed from the sample surface 4 side, the direction parallel to the incident surface of the incident light 8 is the direction of 0 °. Here, the incident surface is a plane perpendicular to the material surface 4 including the incident light 8 and the reflected light 9.

【００３８】そして、試料面４で反射された反射光９は
試料面４の膜の存在によって、直線偏光から図３に示し
た楕円偏光になり、無偏光ビームスプリッタ１０へ入射
される。The reflected light 9 reflected by the sample surface 4 changes from linearly polarized light to elliptically polarized light shown in FIG. 3 due to the presence of the film on the sample surface 4, and enters the non-polarizing beam splitter 10.

【００３９】無偏光ビームスプリッタ１０は例えば無偏
光ガラス板で構成されている。そして、入射された反射
光９は全く偏光されずに楕円偏光状態を保持したまま二
つの光１１ａ，１１ｂに分岐される。反射された反射光
１１ａは１／４波長板１２ａを介して第１の偏光ビーム
スプリッタ１３へ入射する。また、透過した透過光１１
ｂは直接第２の偏光ビームスプリッタ１４へ入射する。The non-polarizing beam splitter 10 is composed of, for example, a non-polarizing glass plate. The incident reflected light 9 is not polarized at all and is split into two lights 11a and 11b while maintaining the elliptically polarized state. The reflected light 11a that has been reflected enters the first polarization beam splitter 13 via the quarter-wave plate 12a. In addition, the transmitted light 11
b directly enters the second polarization beam splitter 14.

【００４０】第１，第２の偏光ビームスプリッタ１３，
１４は同一構成を有しており、例えばグラントムソンプ
リズム，グランテーラープリズム等で構成され、入射し
た楕円偏光を有する光を互い直交する２方向の偏光成分
に分離してそれそれ透過光および反射光として出力す
る。なお、透過光がある角度で２成分に分かれるウォラ
ストンプリリズム等であってもよい。The first and second polarization beam splitters 13,
14 has the same structure, and is composed of, for example, a Glan-Thompson prism, a Glan-Taylor prism, etc., and splits incident elliptically polarized light into polarized light components in two directions orthogonal to each other and transmits the transmitted light and the reflected light. Output as. It should be noted that Wollaston prerhythm in which the transmitted light is divided into two components at a certain angle may be used.

【００４１】そして、第１の偏光ビームスプリッタ１３
は、この第１の偏光ビームスプリッタ１３の透過光１３
ａの偏光方向が入射面に平行な方向を方位０°とした前
述した基準方向に対して受光器１５ａ側から見て反時計
回りに＋４５°になるように位置決めされている。そし
て、第１の偏光ビームスプリッタ１３から出力された偏
光方向が＋４５°の透過光１３ａは受光器１５ａへ入射
される。受光器１５ａは受光した偏光成分の光強度Ｉ1
に対応する信号を出力する、また、第１の偏光ビームス
プリッタ１３から出力された偏光方向が必然的に−４５
°となる反射光１３ｂは受光器１５ｂへ入射され、光強
度Ｉ2 に変換される。Then, the first polarization beam splitter 13
Is the transmitted light 13 of the first polarization beam splitter 13.
It is positioned so that the polarization direction of a is + 45 ° counterclockwise when viewed from the side of the photodetector 15a with respect to the above-mentioned reference direction in which the direction parallel to the incident surface is 0 °. Then, the transmitted light 13a having a polarization direction of + 45 ° output from the first polarization beam splitter 13 is incident on the light receiver 15a. The light receiver 15a receives the light intensity I1 of the received polarization component.
Of the polarization direction output from the first polarization beam splitter 13 is necessarily -45.
The reflected light 13b having the angle of incidence is incident on the light receiver 15b and is converted into the light intensity I2.

【００４２】さらに、第２の偏光ビームスプリッタ１４
は、この第２の偏光ビームスプリッタ１４の透過光１４
ａの偏光方向が前記基準方向に対して＋４５°になるよ
うに位置決めされている。そして、第２の偏光ビームス
プリッタ１４から出力された偏光方向が＋４５°の透過
光１４ａは受光器１５ｃへ入射され、光強度Ｉ3 に変換
される。また、第２の偏光ビームスプリッタ１４から出
力される偏光方向が−４５°となる反射光１４ｂは受光
器１５ｄへ入射され、光強度Ｉ4 に変換される。Further, the second polarization beam splitter 14
Is the transmitted light 14 of the second polarization beam splitter 14.
It is positioned so that the polarization direction of a is + 45 ° with respect to the reference direction. Then, the transmitted light 14a having a polarization direction of + 45 ° output from the second polarization beam splitter 14 is incident on the light receiver 15c and converted into the light intensity I3. The reflected light 14b having a polarization direction of −45 ° output from the second polarization beam splitter 14 is incident on the photodetector 15d and converted into a light intensity I4.

【００４３】第１の偏光ビームスプリッタ１３へ入射さ
れる反射光１１ａの光路に１／４波長板１２ａが介挿さ
れているので、第１の偏光ビームプリッタ１３へ入射さ
れる楕円偏光された反射光１１ａのＰ偏光，Ｓ偏光の位
相差が９０°だけ変化する。よって、各受光器１５ａ〜
１５ｄへ入射する偏光成分の値が異なる。すなわち、各
受光器１５ａ〜１５ｄから得られる反射光９の楕円偏光
における各偏光成分は、いわば、 cosΔと sinΔとの両
方の情報を含んでいるものとなる。Since the quarter-wave plate 12a is inserted in the optical path of the reflected light 11a incident on the first polarized beam splitter 13, the elliptically polarized reflected light incident on the first polarized beam splitter 13 is entered. The phase difference between the P-polarized light and the S-polarized light of 11a changes by 90 °. Therefore, each light receiver 15a-
The values of the polarization components incident on 15d are different. That is, each polarization component in the elliptically polarized light of the reflected light 9 obtained from each of the light receivers 15a to 15d contains, so to speak, both cosΔ and sinΔ information.

【００４４】そして、前述したようにこれら４つの光強
度Ｉ1 〜Ｉ4 を用いて図３の楕円偏光を特定するエリプ
ソパラメータψ，Δが前述した(1)(2)式を用いて算出さ
れる。 tan（Δ−φ₀ ）＝σＲ（Ｉ1 −Ｉ2 ）／σＴ（Ｉ3 −Ｉ4 ） …(1) tanψ＝［χ（σＲ² −σＴ² ）／２］ ×［σＲ² （Ｉ1 −Ｉ2 ）² ＋σＴ² （Ｉ3 −Ｉ4 ）² ］^1/2 ÷［σＲ² （Ｉ1 ＋Ｉ2 ）−σＴ² （Ｉ3 ＋Ｉ4 ）］ …(2) 但し、σＲ，σＴは無偏光ビームスプリッタ１０のＰ偏
光，Ｓ偏光の振幅反射率比および振幅透過率比であり、
(16)(17)式で与えられる固有値である。 振幅反射率比σＲ＝ｒ_s ／ｒ_P …(16) 振幅透過率比σＴ＝（１−ｒ_s ² ）／（１−ｒ_P ² ） …(17)Then, as described above, the ellipso parameters ψ and Δ for specifying the elliptically polarized light of FIG. 3 are calculated using these four light intensities I1 to I4 using the equations (1) and (2) described above. tan (Δ−φ ₀ ) = σR (I 1 −I 2) / σT (I 3 −I 4) ... (1) tan ψ = [χ (σR ² −σT ² ) / 2] × [σR ² (I1-I2) ² + ΣT ² (I3 -I4) ² ] ^1/2 ÷ [σR ² (I1 + I2) -σT ² (I3 + I4)] (2) where σR and σT are the amplitude reflectance ratio and the amplitude transmittance ratio of the P-polarized light and the S-polarized light of the non-polarization beam splitter 10, respectively.
(16) This is the eigenvalue given by Eqs. (17). Amplitude reflectance ratio σR = r _s / r _P (16) Amplitude transmittance ratio σT = (1-r _s ² ) / (1-r _P ² )… (17)

【００４５】但し、ｒ_P ，ｒ_s は、それぞれＰ偏光，Ｓ
偏光に対するフレネル反射係数あり、これらは前記無偏
光ビームスプリッタ１０の屈折率と入射角によって定ま
る。空気の屈折率をＮ₀ 、無偏光ビームスプリッタ１０
の屈折率をｎ₁ ，さらに無偏光ビームスプリッタ１０へ
の入射角および屈折角をそれぞれθ₀ ，θ₁ とすれば、
ｒ_P ，ｒ_s は(18)(19)式で与えられる。 ｒ_P ＝（ｎ₁ cosθ₀ −Ｎ₀ cos θ₁ ）／（ｎ₁ cosθ₀ ＋Ｎ₀ cosθ₁ ） …(18) ｒ_s ＝（Ｎ₀ cosθ₀ −ｎ₁ cosθ₁ ）／（Ｎ₀ cosθ₀ ＋ｎ₁ cosθ₁ ） …(19) また、位相差φ₀ および振幅比χは前記測定対象に対す
る入射光のエリプソパラメータである。そして、一般的
には、計算を容易にするために、 位相差φ₀ ＝０° 振幅比χ＝１ に設定している。However, r _P and r _s are P-polarized light and S-polarized light, respectively.
There are Fresnel reflection coefficients for polarized light, which are determined by the refractive index and incident angle of the non-polarizing beam splitter 10. The non-polarizing beam splitter 10 having a refractive index of air N ₀
Let n _{1 be} the index of refraction, and θ ₀ and θ ₁ be the angle of incidence and the angle of refraction on the non-polarizing beam splitter 10, respectively.
r _P and r _s are given by equations (18) and (19). _{r P = (n 1 cosθ 0} -N 0 cos θ 1) / (n 1 cosθ 0 + N 0 cosθ 1) ... (18) r s = (N 0 cosθ 0 -n 1 cosθ 1) / (N 0 cosθ 0 + N ₁ cos θ ₁ ) (19) Further, the phase difference φ ₀ and the amplitude ratio χ are ellipso parameters of the incident light with respect to the measurement target. Then, in general, in order to facilitate the calculation, the phase difference φ ₀ = 0 ° and the amplitude ratio χ = 1 are set.

【００４６】そして、これらの各定数は既知の直線偏光
または楕円偏光を有する試験光をこの無偏光ビームスプ
リッタ１０へ入射して、真のエリプソパラメータψ，Δ
からのずれ量から逆算して予め求めておく。また、位相
差Δの計算の際には、前述したように、σＲ（Ｉ1 −Ｉ
2 ）＝Ａ，σＴ（Ｉ3 −Ｉ4 ）＝Ｂの正負の条件に従っ
て、象限（ゾーン）を判別する。 (1) Ａ＞０，Ｂ＞０の場合、 第１象限（ ０°＜
Δ＜ ９０°） (2) Ａ＞０，Ｂ＜０の場合、 第２象限（ ９０°＜
Δ＜１８０°） (3) Ａ＜０，Ｂ＜０の場合、 第３象限（１８０°＜
Δ＜２７０°） (4) Ａ＜０，Ｂ＞０の場合、 第４象限（２７０°＜
Δ＜３６０°）For each of these constants, the test light having known linearly polarized light or elliptically polarized light is made incident on the non-polarization beam splitter 10, and the true ellipso parameters ψ and Δ are obtained.
It is calculated in advance from the amount of deviation from. Further, when calculating the phase difference Δ, as described above, σR (I1−I
2) = A, .sigma.T (I3 -I4) = B, and the quadrant (zone) is discriminated according to the positive and negative conditions. (1) When A> 0 and B> 0, the first quadrant (0 ° <
Δ <90 °) (2) In the case of A> 0 and B <0, the second quadrant (90 ° <
Δ <180 °) (3) In the case of A <0 and B <0, the third quadrant (180 ° <
Δ <270 °) (4) When A <0, B> 0, the fourth quadrant (270 ° <
Δ <360 °)

【００４７】したがって、算出された位相差Δが第１象
限から第４象限までのどの象限に所属するのかも同時に
判断できる。その結果、得られた位相差Δの真の値がΔ
であるのか、または（３６０°−Δ），（９０°−
Δ），…であるのかが正確に判断できる。振幅比ψ，お
よび所属象限を含めた位相差Δのエリプソパラメータが
求まると、別途計算式を用いて試料面４における膜厚ｄ
を算出する。Therefore, it can be determined at the same time which quadrant from the first quadrant to the fourth quadrant the calculated phase difference Δ belongs to. As a result, the true value of the obtained phase difference Δ is Δ
Or (360 ° -Δ), (90 °-
It is possible to accurately judge whether Δ), ... When the ellipso parameter of the amplitude ratio ψ and the phase difference Δ including the belonging quadrant is obtained, the film thickness d on the sample surface 4 is calculated by using a separate calculation formula.
To calculate.

【００４８】このように構成されたエリプソメータであ
れば、各受光器１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄにて同
時刻で検出された４つの各光強度Ｉ1 ，Ｉ2 ，Ｉ3 ，Ｉ
4 からパーソナルコンピュータ３において(1)(2)式を用
いてほぼ瞬時にエリプソパラメータψ，Δが算出される
ので、それに続いて試料面４における膜厚ｄもほぼ瞬時
に算出される。In the case of the ellipsometer constructed in this way, the four light intensities I1, I2, I3, I detected at the same time by the respective light receivers 15a, 15b, 15c, 15d.
Since the ellipso parameters .psi. And .DELTA. Are calculated almost instantly by using the equations (1) and (2) in the personal computer 3 from 4, the film thickness d on the sample surface 4 is subsequently calculated almost instantly.

【００４９】したがって、測定対象がたとえ高速で移動
していたとしても、指定された測定点における膜厚ｄが
測定可能となる。したがって、光源部７から入射光８を
出力させた状態で、測定対象を一定速度で移動させなが
ら、一定周期でもって各光強度Ｉ1 〜Ｉ4 を読取ってエ
リプソパラメータψ，Δの算出と膜厚ｄを算出していけ
ば、例えば工場の検査ラインにおいて連続して移動して
いく帯状製品の表面の膜厚ｄを連続してオンライン状態
で測定できる。Therefore, even if the object to be measured moves at high speed, the film thickness d at the specified measurement point can be measured. Therefore, while the incident light 8 is being output from the light source unit 7, the light intensities I1 to I4 are read at a constant cycle while the measurement target is moved at a constant speed to calculate the ellipso parameters ψ and Δ and calculate the film thickness d. Can be calculated, for example, the film thickness d on the surface of a strip-shaped product that is continuously moving can be measured online in an inspection line of a factory.

【００５０】また、図１に示すように、試料面４の楕円
偏光された反射光を異なる４つの偏光成分に分離して各
偏光成分の光強度Ｉ1 〜Ｉ4 を同一タイミングで読取っ
ているので、従来のエリプソメータのように、異なる条
件の偏光成分を得るために、回転検光子や１／４波長板
の挿脱機構を設ける必要がない。よって、全部の光学部
品を固定部材のみで構成でき、可動部材を使用しないの
で、装置全体を小型軽量に構成できる。したがって、工
場の製造現場等の狭い場所にも据付けることが可能とな
り、適用範囲を広げることができる。As shown in FIG. 1, the elliptically polarized reflected light on the sample surface 4 is separated into four different polarization components, and the light intensities I1 to I4 of the respective polarization components are read at the same timing. Unlike the conventional ellipsometer, it is not necessary to provide a rotating analyzer or a 1/4 wavelength plate insertion / removal mechanism in order to obtain polarization components under different conditions. Therefore, since all the optical components can be configured only by the fixed member and no movable member is used, the entire device can be made compact and lightweight. Therefore, it can be installed in a narrow place such as a manufacturing site of a factory, and the range of application can be expanded.

【００５１】さらに、位相差Δは、その値の範囲に係わ
らずこの位相差Δを精度よく求めることができる、例え
ば、従来装置において試料面４に対する入射光が直線偏
光の場合においては位相差Δが９０°や２７０°近傍の
値における測定精度は他の場所に比較して非常に悪い
が、本発明のエリプソメータにおいては、たとえ位相差
Δが９０°や２７０°近傍の値であっても精度よく測定
できる。Further, the phase difference Δ can be accurately obtained regardless of the range of the value. For example, when the incident light on the sample surface 4 is linearly polarized light in the conventional apparatus, the phase difference Δ is obtained. The measurement accuracy at a value near 90 ° or 270 ° is very poor as compared with other places, but in the ellipsometer of the present invention, the accuracy is high even if the phase difference Δ is a value near 90 ° or 270 °. Can measure well.

【００５２】これを実証するために発明者等は、図１に
示すエリプソメータにおいて、種々の既知の膜厚ｄを有
する試料面４に対して入射光８を入射させて、種々の形
状の楕円偏光を有する反射光９を作成して、各楕円偏光
のエリプソパラメータを測定した。その結果、０°から
３６０°までの各位相差Δに対して、測定誤差を最大５
％でかつ平均３％に抑制できた。また、振幅比率ψの測
定誤差は約５％であった。図４は実施例のエリプソメー
タをシリコンウェーハーの酸化膜厚の分布測定装置に組
込んだ状態を示す図である。In order to verify this, the inventors of the present invention, in the ellipsometer shown in FIG. 1, make the incident light 8 incident on the sample surface 4 having various known film thicknesses d to obtain elliptically polarized light of various shapes. The reflected light 9 having the above was created, and the ellipso parameter of each elliptically polarized light was measured. As a result, the maximum measurement error is 5 for each phase difference Δ from 0 ° to 360 °.
% And could be suppressed to 3% on average. The measurement error of the amplitude ratio ψ was about 5%. FIG. 4 is a view showing a state in which the ellipsometer of the embodiment is incorporated in a device for measuring the distribution of the oxide film thickness of a silicon wafer.

【００５３】ベース２１上に移動テーブル２２が設けら
れ、この移動テーブル２２上に回転支持台２３が取付け
られている。そして、この回転支持台２３上に測定対象
としてのシリコンウェーハー２５が例えば吸着機構によ
って取付けられる。したがって、シリコンウェーハー２
５は回転しながら矢印方向に直線移動する。ベース２１
上にはシリコンウェーハー２５全体の厚みを測定する既
存の厚み測定装置２６が配設され、また、この厚み測定
装置２６の対向位置にエリプソメータ本体２７が支持部
材２８にて固定されている。A moving table 22 is provided on the base 21, and a rotary support 23 is mounted on the moving table 22. Then, the silicon wafer 25 to be measured is mounted on the rotary support 23 by, for example, a suction mechanism. Therefore, silicon wafer 2
5 moves linearly in the direction of the arrow while rotating. Base 21
An existing thickness measuring device 26 for measuring the thickness of the entire silicon wafer 25 is arranged on the upper side, and an ellipsometer body 27 is fixed by a supporting member 28 at a position facing the thickness measuring device 26.

【００５４】そして、厚み測定装置２６およびエリプソ
メータ本体２７は移動テーブル２２および回転支持台２
３にて螺旋状に移動しているシリコンウェーハー２５の
各測定位置における全体の厚みと酸化膜の厚みｄを測定
する。また、移動テーブル２２の位置とシリコンウェー
ハー２５の回転角度は装置内に組込まれたコンピュータ
によって制御されている。したがって、測定位置と測定
結果とは１対１で対応しており、例えばＣＲＴ表示装置
の表示画面上で視覚的に即座に把握できる。The thickness measuring device 26 and the ellipsometer main body 27 are provided on the moving table 22 and the rotary support base 2.
At 3, the total thickness of the silicon wafer 25 moving spirally at each measurement position and the thickness d of the oxide film are measured. Further, the position of the moving table 22 and the rotation angle of the silicon wafer 25 are controlled by a computer incorporated in the apparatus. Therefore, there is a one-to-one correspondence between the measurement position and the measurement result, and it is possible to immediately and visually grasp on the display screen of the CRT display device, for example.

【００５５】実施例装置の効果を確認するために、図４
の実施例装置と回転検光子を用いた従来装置との比較を
行った。入射光として直線偏光を測定対象へ６２°の入
射角度で入射する光学系を用いた。また、測定対象とし
て屈折率１．６５で膜厚ｄ＝８００nmの窒化膜が上面に
形成されたシリコンウェーハー２５を用いている。In order to confirm the effect of the embodiment apparatus, FIG.
The device of Example 1 and a conventional device using a rotary analyzer were compared. An optical system was used in which linearly polarized light was incident on the measurement target as the incident light at an incident angle of 62 °. Further, a silicon wafer 25 having a refractive index of 1.65 and a nitride film with a film thickness d = 800 nm formed on the upper surface is used as a measurement target.

【００５６】この場合、膜厚ｄが８００nmであるので、
窒化膜が形成されている部分におけるエリプソパラメー
タの位相差Δは理論上９４．１°となり、窒化膜が形成
されていない部分は当然位相差Δは０°である。In this case, since the film thickness d is 800 nm,
The phase difference Δ of the ellipso parameter in the portion where the nitride film is formed is theoretically 94.1 °, and the phase difference Δ is naturally 0 ° in the portion where the nitride film is not formed.

【００５７】よって、回転検光子を用いた従来装置で測
定する場合、窒化膜が形成されている部分に対しては入
射光を円偏光とし、窒化膜が形成されていない部分に対
しては入射光を直線偏光にする必要がある。したがっ
て、このような条件のシリコンウェーハー２５を測定す
る場合には、窒化膜が形成された部分に対しては例えば
１／４波長板を挿入し、窒化膜が形成されていない部分
に対しては１／４波長板を取り外して測定する必要があ
る。よって、シリコンウェーハー２５上のどの点を測定
する場合においても、１／４波長板を挿入した状態と１
／４波長板を抜き取った状態との２回の測定を実施しな
ければならない。実験に採用した直径６インチのシリコ
ンウェーハー２５全面を２mm間隔で約５０００点測定す
るのに約５時間要した。したがって、実際問題としてこ
の従来装置を実際のシリコンウェーハーの製造検査ライ
ンで使用することは不可能である。Therefore, when the measurement is performed by the conventional device using the rotation analyzer, the incident light is circularly polarized to the portion where the nitride film is formed, and the incident light is incident to the portion where the nitride film is not formed. The light needs to be linearly polarized. Therefore, when measuring the silicon wafer 25 under such conditions, for example, a quarter-wave plate is inserted into the portion where the nitride film is formed, and the portion where the nitride film is not formed is inserted into the portion. It is necessary to remove the quarter-wave plate for measurement. Therefore, when measuring any point on the silicon wafer 25, it is
Two measurements must be performed with the quarter wave plate removed. It took about 5 hours to measure about 5000 points at 2 mm intervals on the entire surface of the 6-inch diameter silicon wafer 25 used in the experiment. Therefore, as a practical matter, it is impossible to use this conventional apparatus in an actual silicon wafer manufacturing inspection line.

【００５８】これに対して、４つの光強度を一度に測定
する実施例装置においては、１点測定するのに測定点を
移動させる時間を加えても約２ｍsec であり、同一のシ
リコンウェーハー２５を測定するに要する時間は約１０
secであった。したがって、実際の製造検査ラインに十
分組込める処理速度である。On the other hand, in the apparatus of the embodiment in which four light intensities are measured at one time, it takes about 2 msec even if the time to move the measurement point is added to measure one point, and the same silicon wafer 25 is used. The time required for measurement is about 10
It was sec. Therefore, the processing speed can be sufficiently incorporated into an actual manufacturing inspection line.

【００５９】このように、エリプソメータが高速化かつ
小型化されたので、既存の厚み測定装置２６に対して付
加的に設置可能となった。半導体プロセスラインでは上
記シリコンウェーハーの他に、窒化膜、ポリシリコン
膜、透明電極材等のオンライン計測への応用が可能であ
る。As described above, since the ellipsometer has been speeded up and downsized, it has become possible to install the ellipsometer in addition to the existing thickness measuring device 26. In the semiconductor process line, in addition to the above silicon wafer, nitride film, polysilicon film, transparent electrode material, etc. can be applied to online measurement.

【００６０】図５は本発明の他の実施例に係わるエリプ
ソメータの概略構成を示す図である。図１と同一部分に
は同一符号が付してある。したがって重複する部分の説
明を省略する。この実施例においては、１／４波長板１
２ｂが第２の偏光ビームスプリッター１４へ入射される
無偏光ビームスプリッター１０からの透過光１１ｂの光
路に介挿されている。そして、図１における１／４波長
板１２ａは除去されている。FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of an ellipsometer according to another embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals. Therefore, the description of the overlapping parts will be omitted. In this embodiment, the quarter wave plate 1
2b is inserted in the optical path of the transmitted light 11b from the non-polarization beam splitter 10 which is incident on the second polarization beam splitter 14. Then, the quarter-wave plate 12a in FIG. 1 is removed.

【００６１】このように構成されたエリプソメータにお
いては、第２の偏光ビームスプリッター１４へ入射され
る透過光１１ｂにおける楕円偏光のＰ偏光，Ｓ偏光の位
相差が９０°変化するので、結果的に各受光器１５ａ〜
１５ｄに４つの異なる偏光成分が入射される。そして、
この場合、受光器１５ｃ，１５ｄの各光強度がＩ1 ，Ｉ
2 となり、受光器１５ａ，１５ｂの各光強度がＩ3，Ｉ4
となる。また、(1)(2)式における定数σＲ，σＴは無
偏光ビームスプリッタ１０のＰ偏光，Ｓ偏光の振幅透過
率比，振幅反射率比である。よって、図１の実施例と同
様な動作を得ることができる。In the ellipsometer constructed in this way, the phase difference between the P-polarized light and the S-polarized light of the elliptically polarized light in the transmitted light 11b incident on the second polarization beam splitter 14 changes by 90 °, resulting in Light receiver 15a-
Four different polarization components are incident on 15d. And
In this case, the light intensities of the light receivers 15c and 15d are I1 and I, respectively.
2 and the light intensities of the light receivers 15a and 15b are I3 and I4, respectively.
Becomes Further, the constants σR and σT in the equations (1) and (2) are the amplitude transmittance ratio and the amplitude reflectance ratio of the P-polarized light and the S-polarized light of the unpolarized beam splitter 10. Therefore, the same operation as that of the embodiment of FIG. 1 can be obtained.

【００６２】また、図６に示すエリプソメータにおいて
は、第１の偏光ビームスプリッタ１３に入射する光路に
図１と同じ１／４波長板１２ａが挿入され、第２の偏光
ビームスプリッタ１４に入射する光路に１／２波長板２
９ｂが挿入されている。このような構成であっても、第
１の偏光ビームスプリッタ１３へ入射される楕円偏光さ
れた光のＰ偏光，Ｓ偏光の位相差は、第２の偏光ビーム
スプリッタ１４へ入射される楕円偏光のＰ偏光，Ｓ偏光
の位相差と９０°だけ違いがあるので、各受光器１５ａ
〜１５ｄに４つの偏光方向が異なる各偏光成分が入射さ
れる。そして、この場合、受光器１５ａ，１５ｂの各光
強度がＩ1 ，Ｉ2 となり、受光器１５ｄ，１５ｃの各光
強度がＩ3 ，Ｉ4 となる。また、(1)(2)式における定数
σＲ，σＲは無偏光ビームスプリッタ１０のＰ偏光，Ｓ
偏光の振幅反射率比，振幅透過率比である。したがっ
て、先の実施例とほぼ同様の効果を得ることができる。Further, in the ellipsometer shown in FIG. 6, the same 1/4 wavelength plate 12 a as that in FIG. 1 is inserted in the optical path incident on the first polarization beam splitter 13, and the optical path incident on the second polarization beam splitter 14 is inserted. 1/2 wave plate 2
9b is inserted. Even with such a configuration, the phase difference between the P-polarized light and the S-polarized light of the elliptically polarized light that is incident on the first polarization beam splitter 13 is the same as that of the elliptically polarized light that is incident on the second polarization beam splitter 14. Since there is a difference of 90 ° from the phase difference between P-polarized light and S-polarized light, each light receiver 15a
Each of the four polarization components having different polarization directions is incident on ˜15d. In this case, the light intensities of the light receivers 15a and 15b are I1 and I2, and the light intensities of the light receivers 15d and 15c are I3 and I4. Further, the constants σR and σR in the equations (1) and (2) are P-polarized light and S-polarized light of the unpolarized beam splitter 10, respectively.
These are the amplitude reflectance ratio and the amplitude transmittance ratio of polarized light. Therefore, it is possible to obtain substantially the same effect as that of the previous embodiment.

【００６３】また、図７，図８，図９は、それぞれ図
１．図５，図６に示す各エリプソメータにおける試料面
４に対する入射光８および反射光９の光路にそれぞれ１
／４波長板１２ｃ，１２ｄ、または１／２波長板２９
ｃ，２９ｄを挿入した実施例である。そして、図７，図
８，図９の各エリプソメータにおいては、それぞれ図
１．図５，図６の各エリプメータと同一条件でもって各
受光器１５ａ〜１５ｄと各光強度Ｉ1 〜Ｉ4 との関係お
よび各定数定数σＲ，σＴを決定する。また、いずれの
場合においても、試料面４に対する入射光路および反射
光路に挿入された波長板によって与えられるＰ成分とＳ
成分との位相差は(1)(2)式中の入射光のエリプソパラメ
ータの位相差φ₀ に含める。このように、試料面４の入
射路および反射路に波長版を挿入することによって、入
射光８のＰ偏光、Ｓ偏光の位相差を任意に変更すること
が可能である。Further, FIGS. 7, 8 and 9 are respectively shown in FIG. In each of the optical paths of incident light 8 and reflected light 9 with respect to the sample surface 4 in each ellipsometer shown in FIGS.
/ 4 wave plate 12c, 12d, or ½ wave plate 29
In this embodiment, c and 29d are inserted. In each of the ellipsometers shown in FIGS. 7, 8 and 9, each of FIGS. Under the same conditions as the ellipsometers of FIGS. 5 and 6, the relationship between the photodetectors 15a to 15d and the light intensities I1 to I4 and the constant constants .sigma.R and .sigma.T are determined. In any case, the P component and the S component given by the wave plate inserted in the incident light path and the reflected light path with respect to the sample surface 4
The phase difference with the component is included in the phase difference φ ₀ of the ellipso parameter of the incident light in Eqs. (1) and (2). In this way, by inserting the wavelength plate in the incident path and the reflection path of the sample surface 4, it is possible to arbitrarily change the phase difference between the P-polarized light and the S-polarized light of the incident light 8.

【００６４】図１０は本発明のさらに別の実施例に係わ
るエリプソメータの概略構成を示す模式図である。図１
の実施例と同一部分には同一符号を付して重複する部分
の説明を省略する。FIG. 10 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an ellipsometer according to still another embodiment of the present invention. Figure 1
The same parts as those in the above embodiment are designated by the same reference numerals and the description of the overlapping parts will be omitted.

【００６５】この実施例においては、第１の偏光ビーム
スプリッタ３６から出力される透過光３６ａの偏光方向
が前述した基準方向に対して９０°方向に向くように、
この第１の偏光ビームスプリッタ３６の姿勢が固定され
ている。そして、第２の偏光ビームスプリッタ３７から
出力される透過光３７ａの偏光方向が前記基準方向に対
して＋４５°方向に向くように、この第２の偏光ビーム
スプリッタ３７の姿勢が固定されている。したがって、
必然的に、第１の偏光ビームスプリッタ３６の反射光３
６ｂの偏光方向が＋０°方向を向き、第２の偏光ビーム
スプリッタ３７の反射光３７ｂの偏光方向が−４５°方
向を向く。また、１／４波長板１２ａは４５°傾けて設
置されている。In this embodiment, the polarization direction of the transmitted light 36a output from the first polarization beam splitter 36 is oriented 90 ° with respect to the reference direction described above.
The attitude of the first polarization beam splitter 36 is fixed. The attitude of the second polarization beam splitter 37 is fixed so that the polarization direction of the transmitted light 37a output from the second polarization beam splitter 37 is + 45 ° with respect to the reference direction. Therefore,
Inevitably, the reflected light 3 of the first polarization beam splitter 36
The polarization direction of 6b is + 0 °, and the polarization direction of the reflected light 37b of the second polarization beam splitter 37 is −45 °. The quarter-wave plate 12a is installed at a 45 ° angle.

【００６６】したがって、各受光器１５ａ〜１５ｄから
得られる各光強度Ｉ1〜Ｉ4 を用いて(1)(2)式が演算さ
れ、エリプソメータψ，Δが算出される。よって、図１
の実施例とほぼ同様の効果を得ることができる。Therefore, the equations (1) and (2) are calculated using the light intensities I1 to I4 obtained from the light receivers 15a to 15d, and the ellipsometers ψ and Δ are calculated. Therefore, FIG.
It is possible to obtain substantially the same effect as that of the embodiment.

【００６７】図１１，図１２，図１３，図１４，図１５
に示す各エリプソメータは、図５，図６，図７，図８，
図９に記載した各実施例のエリプソメータにおける各偏
光ビームスプリッタ１３，１４の姿勢角度を図１０に示
すように、基準方向に対して偏光方向が１／４波長板が
挿入されている方は、０°，９０°方向に向き、そうで
ない方は、＋４５°，−４５°方向に向くように設定さ
れている。そして、図１１，図１２，図１３，図１４，
図１５に示す各エリプソメータは、それぞれ図５，図
６．図７，図８，図９の各エリプメータと同一条件でも
って各受光器１５ａ〜１５ｄと各光強度Ｉ1 〜Ｉ4 との
関係および各定数定数σＲ，σＲを決定する。したがっ
て、図５〜図９の実施例とほぼ同じ効果を得ることが可
能である。11, FIG. 12, FIG. 13, FIG. 14, and FIG.
The ellipsometers shown in Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7, Fig. 8,
As shown in FIG. 10, the attitude angles of the polarization beam splitters 13 and 14 in the ellipsometer of each embodiment described in FIG. The direction is set to 0 ° and 90 °, and the other direction is set to + 45 ° and −45 °. And FIG. 11, FIG. 12, FIG. 13, FIG.
The ellipsometers shown in FIG. The constants .sigma.R and .sigma.R and the relationship between the light receivers 15a to 15d and the light intensities I1 to I4 are determined under the same conditions as those of the ellipsometers of FIGS. Therefore, it is possible to obtain substantially the same effect as the embodiment of FIGS.

【００６８】図１６は本発明のさらに別の実施例に係わ
るエリプソメータの概略構成を示す模式図である。図１
の実施例と同一部分には同一符号を付して重複する部分
の説明を省略する。FIG. 16 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an ellipsometer according to still another embodiment of the present invention. Figure 1
The same parts as those in the above embodiment are designated by the same reference numerals and the description of the overlapping parts will be omitted.

【００６９】この実施例においては、試料面４の楕円偏
光を有する反射光９は複合ビームスプリッタ４０へ入射
される。複合ビーススプリッタ４０は、４角形断面形状
を有する無偏光ガラス４１と、入射面の一部が無偏光ガ
ラス４１の上面に例えば接着剤で固定され、この入射面
に１／４波長板４２が貼付けられた第１の偏光ビームス
プリッタ４３と、入射面が無偏光ガラス４１の出射面に
接合された第２のビームスプリッタ４４とで一つの光学
部品として形成されている。In this embodiment, the reflected light 9 having the elliptically polarized light on the sample surface 4 is incident on the composite beam splitter 40. The composite bead splitter 40 includes a non-polarizing glass 41 having a quadrangular cross-sectional shape, and a part of the incident surface is fixed to the upper surface of the non-polarizing glass 41 with, for example, an adhesive, and a ¼ wavelength plate 42 is attached to the incident surface. The first polarized beam splitter 43 thus formed and the second beam splitter 44 having the incident surface joined to the outgoing surface of the non-polarized glass 41 are formed as one optical component.

【００７０】そして、試料面からの反射光９は無偏光ガ
ラス４１の入射面で楕円偏光状態を維持したまま反射光
４１ａと透過光４１ｂとに分岐される。無偏光ガラス４
１で反射された反射光４１ａは１／４波長板４２に垂直
に入射する。一方、透過光４１ｂは無偏光ガラス４１内
を透過して第２の偏光ビームプリッタ４４の入射面に垂
直に入射する。すなわち、この複合ビームスプリッタ４
０の反射光９に対する姿勢角度、および無偏光ガラス４
１の入射面の角度が、反射光４１ａおよび透過光４１ｂ
が第１，第２の偏光ビームスプリッタ４３，４４の入射
面に垂直に入射するように調整されている。The reflected light 9 from the sample surface is split into reflected light 41a and transmitted light 41b while maintaining the elliptically polarized state on the incident surface of the non-polarizing glass 41. Non-polarizing glass 4
The reflected light 41a reflected by 1 is vertically incident on the quarter-wave plate 42. On the other hand, the transmitted light 41b is transmitted through the non-polarizing glass 41 and is vertically incident on the incident surface of the second polarized beam splitter 44. That is, this composite beam splitter 4
Attitude angle to reflected light 9 of 0, and non-polarizing glass 4
The angle of the incident surface of No. 1 is the reflected light 41a and the transmitted light 41b.
Are adjusted so as to be incident vertically on the incident surfaces of the first and second polarization beam splitters 43 and 44.

【００７１】また、第１の偏光ビームスプリッタ４３
は、１／４波長板４２を介して入射した反射光４１ａを
前記基準方向に対して４５°方向の偏光成分を有する透
過光４３ａと−４５°方向の偏光成分を有する反射光４
３ｂとに分離し、それぞれ受光器１５ａ，１５ｂへ入射
させる。同様に、第２の偏光ビームスプリッタ４４は、
無偏光ガラス４１を透過して入射した透過光４１ｂを前
記基準方向に対して４５°方向の偏光成分を有する透過
光４４ａと−４５°方向の偏光成分を有する反射光４４
ｂとに分離し、それぞれ受光器１５ｃ，１５ｄへ入射さ
せる。Further, the first polarization beam splitter 43
Is a transmitted light 43a having a polarization component of 45 ° with respect to the reference direction and a reflected light 4 having a polarization component of −45 ° with respect to the reference direction.
3b, and makes them incident on the photodetectors 15a and 15b, respectively. Similarly, the second polarization beam splitter 44
The transmitted light 41b transmitted through the non-polarizing glass 41 and incident thereon is transmitted light 44a having a polarization component of 45 ° direction and reflected light 44 having a polarization component of −45 ° direction with respect to the reference direction.
b and separate them into the light receivers 15c and 15d, respectively.

【００７２】このようなエリプソメータにおいて、第１
の偏光ビームスプリッタ４３へ入射される反射光４１ａ
の光路に１／４波長板４２が介挿されているので、第１
の偏光ビームプリッタ４３へ入射される楕円偏光された
反射光４１ａのＰ偏光，Ｓ偏光の位相差が９０°だけ変
化する。よって、各受光器１５ａ〜１５ｄへ入射する偏
光成分の値が異なる。すなわち、各受光器１５ａ〜１５
ｄから得られる各光強度には tanψ， cosΔ， sinΔの
情報が含まれている。したがって、図１の実施例と同様
に各受光器１５ａ〜１５ｄにて得られる各光強度Ｉ1 〜
Ｉ4 を用いて図３の楕円偏光を特定するエリプソパラメ
ータψ，Δが(1)(2)式によって算出される。よって図１
の実施例とほぼ同様の効果を得ることが可能である。な
お、複合ビームスプリッタ４０を用いることによって、
(1)(2)式に用いる振幅透過率比σＴが(20)式のように変
化する。 σＴ＝（Ｎ₀ cos θ₁ ＋ｎ₁ cos θ₀ ）／（Ｎ₀ cosθ₀ ＋ｎ cosθ₁ ） …(20)In such an ellipsometer, the first
Light 41a incident on the polarization beam splitter 43 of
Since the quarter-wave plate 42 is inserted in the optical path of
The phase difference between the P-polarized light and the S-polarized light of the elliptically-polarized reflected light 41a incident on the polarized beam splitter 43 is changed by 90 °. Therefore, the values of the polarization components incident on the respective light receivers 15a to 15d are different. That is, each of the light receivers 15a to 15
Each light intensity obtained from d includes information on tan ψ, cos Δ, and sin Δ. Therefore, the light intensities I1 to I1 obtained by the light receivers 15a to 15d are the same as in the embodiment of FIG.
Ellipso parameters ψ and Δ for specifying the elliptically polarized light in FIG. 3 are calculated by using I4 by the equations (1) and (2). Therefore, FIG.
It is possible to obtain substantially the same effect as that of the above embodiment. By using the composite beam splitter 40,
The amplitude transmittance ratio σT used in equations (1) and (2) changes as in equation (20). σT = (N ₀ cos θ ₁ + n ₁ cos θ ₀ ) / (N ₀ cos θ ₀ + n cos θ ₁ ) ... (20)

【００７３】さらに、この実施例においては、試料面４
からの反射光９を互いに異なる４っの偏光成分に分離す
るための複数の光学要素を例えば接着剤等で互いに接合
して一つの光学部品に構成している。したがって、この
エリプソメータを製造する場合における組立作業および
調整作業が大幅に簡素化される。また、長期に亘る稼働
期間においても部品点数が少ないので、点検保守作業が
簡素化される。さらに、装置全体を小型，軽量に形成で
きる。Further, in this embodiment, the sample surface 4
A plurality of optical elements for separating the reflected light 9 from the light into four different polarization components are bonded to each other with, for example, an adhesive to form one optical component. Therefore, the assembling work and the adjusting work when manufacturing this ellipsometer are greatly simplified. Moreover, since the number of parts is small even during a long operation period, inspection and maintenance work is simplified. Furthermore, the entire device can be made compact and lightweight.

【００７４】図１７は図１６の実施例において、各偏光
ビームスプリッタの光軸回りの取付角度を変更して、各
偏光ビームスプリッタにて取出される偏光成分の各方向
を変化させた実施例である。FIG. 17 shows an embodiment in which the mounting angle around the optical axis of each polarization beam splitter is changed in the embodiment of FIG. 16 so that each direction of the polarization component extracted by each polarization beam splitter is changed. is there.

【００７５】すなわち、この実施例おいては、第１の偏
光ビームスプリッタ４５にて取出される偏光成分の方向
を前記基準方向に対して９０°および０°に設定されて
いる。また、１／４波長板４２は４５°傾けて設定され
ている。That is, in this embodiment, the directions of the polarization components extracted by the first polarization beam splitter 45 are set to 90 ° and 0 ° with respect to the reference direction. Further, the quarter wave plate 42 is set to be inclined by 45 °.

【００７６】このように構成されたエリプソメータにお
いても、それぞれ独立した方向の光強度Ｉ1 〜Ｉ4 が得
られるので、図１６の実施例とほぼ同様の効果を得るこ
とができる。図１８の実施例においては、図１６の実施
例における１／４波長板４２を第２の偏光ビームスプリ
ッタ４４の入射面に移動させている。Even in the ellipsometer constructed as described above, since the light intensities I1 to I4 in the respective independent directions can be obtained, it is possible to obtain an effect substantially similar to that of the embodiment of FIG. In the embodiment of FIG. 18, the quarter-wave plate 42 in the embodiment of FIG. 16 is moved to the incident surface of the second polarization beam splitter 44.

【００７７】すなわち、この実施例においては、無偏光
ガラス４１の透過光４１ｂは１／４波長４２ａを介して
第２の偏光ビームスプリッタ４４へ入射され、４５°方
向および−４５°方向の偏光成分が取出される。この場
合、各受光器１５ｃ，１５ｄの各光強度をＩ1 ，Ｉ2 と
設定し、各受光器１５ａ，１５ｂの各光強度をＩ3 ，Ｉ
4 と設定する。その結果、図１６の実施例とほぼ同様の
効果を得ることができる。That is, in this embodiment, the transmitted light 41b of the non-polarizing glass 41 is incident on the second polarization beam splitter 44 through the quarter wavelength 42a, and the polarization components in the 45 ° direction and the −45 ° direction. Is taken out. In this case, the light intensities of the light receivers 15c and 15d are set to I1 and I2, and the light intensities of the light receivers 15a and 15b are set to I3 and I2.
Set to 4. As a result, it is possible to obtain substantially the same effect as the embodiment of FIG.

【００７８】また、図１９の実施例においては、図１７
の実施例における１／４波長板４２を第２の偏光ビーム
スプリッタ４６の入射面に移動させている。それと同時
に、検出する方向も第１の偏光ビームスプリッタ４５で
は、＋４５°，−４５°方向に、第２の偏光ビームスプ
リッタ４６では、＋９０°，０°方向にに変更されてい
る。さらに、１／４波長板４２ａも４５°方向に変更さ
れている。In addition, in the embodiment of FIG.
The quarter-wave plate 42 in the embodiment is moved to the incident surface of the second polarization beam splitter 46. At the same time, the directions of detection are changed to + 45 ° and −45 ° in the first polarization beam splitter 45, and are changed to + 90 ° and 0 ° in the second polarization beam splitter 46. Further, the quarter-wave plate 42a is also changed to the 45 ° direction.

【００７９】すなわち、この実施例においては、無偏光
ガラス４１の透過光４１ｂは１／４波長板４２ａを介し
て第２の偏光ビームスプリッタ４６へ入射され、９０°
方向および０°方向の偏光成分に分離される。この場合
も図１８のエリプソメータと同様に、各受光器１５ｃ，
１５ｄの各光強度をＩ1 ，Ｉ2 と設定し、各受光器１５
ａ，１５ｂの各光強度をＩ3 ，Ｉ4 と設定する。したが
って、独立した光強度Ｉ1 〜Ｉ4 が得られるので、図１
７の実施例とほぼ同様の効果を得ることができる。That is, in this embodiment, the transmitted light 41b of the non-polarizing glass 41 is incident on the second polarizing beam splitter 46 via the quarter-wave plate 42a, and is 90 °.
Direction and 0 ° direction polarization components are separated. Also in this case, similarly to the ellipsometer of FIG. 18, each of the light receivers 15c,
Each light intensity of 15d is set as I1 and I2, and each light receiver 15
The light intensities of a and 15b are set as I3 and I4. Therefore, since independent light intensities I1 to I4 are obtained, as shown in FIG.
It is possible to obtain substantially the same effect as that of the seventh embodiment.

【００８０】なお、２つの光の位相を相対的に変化させ
る波長板としては、図１の実施例におけるような１枚の
１／４波長板以外に、図６の実施例に示すように、各光
路に１枚ずつ介挿させる様態であってもよい。また、図
示しないが、波長板を同一光路に置く態様であってもか
まわない。As the wave plate for relatively changing the phases of the two lights, as shown in the embodiment of FIG. 6, in addition to one quarter wave plate as in the embodiment of FIG. It may be possible to insert one sheet in each optical path. Although not shown, the wave plates may be placed in the same optical path.

【００８１】[0081]

【発明の効果】以上説明したように本発明のエリプソパ
ラメータ測定方法およびエリプソメータにおいては、測
定対象にて反射された楕円偏光を有する反射光を互いに
異なる４つの偏光成分に分離して各偏光成分の光強度を
検出して、この４つの光強度から(1)(2)式を用いてエリ
プソパラメータΔ，ψを算出している。したがって、従
来手法のように検光子を回転させる必要なく、また１／
４波長板を測定対象に入出力する光路に対して挿脱する
必要がない。As described above, in the ellipsometer parameter measuring method and ellipsometer of the present invention, the reflected light having the elliptically polarized light reflected by the object to be measured is separated into four different polarization components and each of the polarization components is separated. The light intensities are detected, and the ellipso parameters Δ and ψ are calculated from these four light intensities using the equations (1) and (2). Therefore, there is no need to rotate the analyzer as in the conventional method, and 1 /
There is no need to insert / remove the four-wave plate into / from the optical path for inputting / outputting the measurement target.

【００８２】よって、光学測定系を固定部材のみで構成
でき、可動部材を使用したことに起因する可動所要時間
を省略でき、１度の測定でほぼ瞬時にエリプソパラメー
タを測定できるので、たとえ移動状態の測定対象に対し
てもオンライン状態でエリプソパラメータが測定でき、
かつ膜厚も測定できる。さらに、算出された位相差がい
ずれの象限に所属するかが同時に把握できる。また、広
い膜厚範囲に亘って高い測定精度を維持できる。また、
可動部分が存在しないので、装置全体を小型軽量に形成
でき、製品の製造検査ライン等における狭い場所にも設
置できる。Therefore, since the optical measurement system can be configured only with the fixed member, the moving time required due to the use of the movable member can be omitted, and the ellipso parameter can be measured almost instantly by one measurement. Ellipso parameters can be measured online even for
Moreover, the film thickness can be measured. Further, it is possible to simultaneously grasp which quadrant the calculated phase difference belongs to. In addition, high measurement accuracy can be maintained over a wide film thickness range. Also,
Since there are no moving parts, the entire device can be made compact and lightweight, and can be installed in a narrow space such as a product manufacturing inspection line.

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

【図１】 実施例エリプソメータの本体内部構造を示す
図、FIG. 1 is a diagram showing an internal structure of a main body of an example ellipsometer,

【図２】 実施例エリプソメータ全体構成を示す図、FIG. 2 is a diagram showing an overall configuration of an example ellipsometer,

【図３】 実施例エリプソメータにおける反射光の楕円
偏光を示す図、FIG. 3 is a diagram showing elliptically polarized light of reflected light in an example ellipsometer,

【図４】 実施例エリプソメータを用いたシリコンウェ
ーハーの酸化膜厚測定装置の概略構成図、FIG. 4 is a schematic configuration diagram of an oxide film thickness measuring device for a silicon wafer using an example ellipsometer,

【図５】 図１の実施例の他方側に波長板を用いた実施
例構造を示す図、5 is a diagram showing an embodiment structure using a wave plate on the other side of the embodiment of FIG.

【図６】 ２つの波長板を用いた実施例構造を示す図、FIG. 6 is a diagram showing an example structure using two wave plates,

【図７】 試料面の入射路および反射路に波長板を挿入
した実施例構造を示す図、FIG. 7 is a diagram showing an example structure in which a wave plate is inserted in an incident path and a reflection path of a sample surface,

【図８】 同試料面の反射路のみ波長板を挿入した実施
例構造を示す図、FIG. 8 is a diagram showing a structure of an embodiment in which a wave plate is inserted only in a reflection path of the sample surface,

【図９】 同試料面の反射路のみ波長板を挿入した実施
例構造を示す図、FIG. 9 is a diagram showing a structure of an embodiment in which a wave plate is inserted only in a reflection path of the sample surface,

【図１０】 互いに異なる偏光方向に設定された偏光ビ
ームスプリッタを用いた実施例構造を示す図、FIG. 10 is a diagram showing an example structure using polarization beam splitters set to mutually different polarization directions;

【図１１】 互いに異なる偏光方向に設定された偏光ビ
ームスプリッタを用いた他の実施例構造を示す図、FIG. 11 is a view showing the structure of another embodiment using polarization beam splitters set to mutually different polarization directions;

【図１２】 互いに異なる偏光方向に設定された偏光ビ
ームスプリッタを用いた他の実施例構造を示す図、FIG. 12 is a view showing the structure of another embodiment using polarization beam splitters set to different polarization directions,

【図１３】 互いに異なる偏光方向に設定された偏光ビ
ームスプリッタを用いた他の実施例構造を示す図、FIG. 13 is a diagram showing the structure of another embodiment using polarization beam splitters set to mutually different polarization directions;

【図１４】 互いに異なる偏光方向に設定された偏光ビ
ームスプリッタを用いた他の実施例構造を示す図、FIG. 14 is a diagram showing the structure of another embodiment using polarization beam splitters set to mutually different polarization directions;

【図１５】 互いに異なる偏光方向に設定された偏光ビ
ームスプリッタを用いた他の実施例構造を示す図、FIG. 15 is a diagram showing the structure of another embodiment using polarization beam splitters set to different polarization directions,

【図１６】 複合ビームスプリッタを用いた実施例構造
を示す図、FIG. 16 is a diagram showing an embodiment structure using a composite beam splitter,

【図１７】 複合ビームスプリッタを用いた他の実施例
構造を示す図、FIG. 17 is a view showing the structure of another embodiment using a composite beam splitter,

【図１８】 複合ビームスプリッタを用いた他の実施例
構造を示す図、FIG. 18 is a view showing the structure of another embodiment using a composite beam splitter,

【図１９】 複合ビームスプリッタを用いた他の実施例
構造を示す図。FIG. 19 is a diagram showing the structure of another embodiment using a composite beam splitter.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１…エリプソメータ本体、２…Ａ／Ｄコンバータ、３…
パーソナルコンピュータ、４…試料面、５…レーザ光
源、６…偏光子、７…光源部、８…入射光、９…反射
光、１０…無偏光ビームスプリッタ、１２ａ〜１２ｄ…
１／４波長板、１３，３６，４３，４５…第１の偏光ビ
ームスプリッタ、１４，３７，４４，４６…第２の偏光
ビームスプリッタ、１５ａ〜１５ｄ…受光器、２５…シ
リコンウェーハー、２９ａ〜２９ｄ…１／２波長板、４
０…複合ビームスプリッタ、４１…無偏光ガラス。1 ... Ellipsometer body, 2 ... A / D converter, 3 ...
Personal computer, 4 ... Sample surface, 5 ... Laser light source, 6 ... Polarizer, 7 ... Light source section, 8 ... Incident light, 9 ... Reflected light, 10 ... Unpolarized beam splitter, 12a-12d ...
1/4 wavelength plate, 13, 36, 43, 45 ... 1st polarization beam splitter, 14, 37, 44, 46 ... 2nd polarization beam splitter, 15a-15d ... Photo receiver, 25 ... Silicon wafer, 29a- 29d ... 1/2 wave plate, 4
0 ... Composite beam splitter, 41 ... Unpolarized glass.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 測定対象に偏光した光を所定角度で入射
させ、この測定対象の反射光をそれぞれ互いに異なる４
つの偏光成分に分離し、この分離された４つの偏光成分
の各光強度Ｉ1 ，Ｉ2 ，Ｉ3 ，Ｉ4 から下記(1)(2)式を
用いて、前記反射光における楕円偏光の位相差Δおよび
振幅比ψからなるエリプソパラメータを求めることを特
徴とするエリプソパラメータ測定方法。 tan（Δ−φ₀ ）＝σＲ（Ｉ1 −Ｉ2 ）／σＴ（Ｉ3 −Ｉ4 ） …(1) tanψ＝［χ（σＲ² −σＴ² ）／２］ ×［σＲ² （Ｉ1 −Ｉ2 ）² ＋σＴ² （Ｉ3 −Ｉ4 ）² ］^1/2 ÷［σＲ² （Ｉ1 ＋Ｉ2 ）−σＴ² （Ｉ3 ＋Ｉ4 ）］ …(2) 但し、位相差φ₀ および振幅比χは前記測定対象に対す
る入射光の偏光状態で定まるパラメータであり、σＲお
よびσＴは前記反射光を４つの偏光成分に分離する光学
系で定まる定数である。1. Polarized light is incident on a measurement target at a predetermined angle, and reflected light of the measurement target is different from each other.
It is separated into two polarization components, and the phase difference Δ of the elliptically polarized light in the reflected light and the phase difference Δ and An ellipso parameter measuring method characterized by obtaining an ellipso parameter consisting of an amplitude ratio ψ. tan (Δ−φ ₀ ) = σR (I 1 −I 2) / σT (I 3 −I 4) ... (1) tan ψ = [χ (σR ² −σT ² ) / 2] × [σR ² (I1-I2) ² + ΣT ² (I3 -I4) ² ] ^1/2 ÷ [σR ² (I1 + I2) -σT ² (I3 + I4)] (2) However, the phase difference φ ₀ and the amplitude ratio χ are parameters determined by the polarization state of the incident light with respect to the measurement target, and σR and σT separate the reflected light into four polarization components. It is a constant determined by the optical system. 【請求項２】 前記(1) 式の［σＲ（Ｉ1 −Ｉ2 ）］項
と［σＴ（Ｉ3 −Ｉ4 ）］項との間における正負関係に
従って、前記算出された位相差Δの所属象限を判別する
請求項１記載のエリプソパラメータ測定方法。2. The belonging quadrant of the calculated phase difference Δ is determined according to the positive / negative relationship between the [σR (I1−I2)] and [σT (I3−I4)] terms of the equation (1). The ellipso parameter measuring method according to claim 1. 【請求項３】 偏光した光を測定対象に所定角度で入射
させる光源部と、前記測定対象にて反射された反射光を
互いに異なる２方向に分岐する無偏光ビームスプリッタ
と、この無偏光ビームスプリッタにて分岐された各光の
位相を相対的に変化させる波長板と、この波長板にて互
いに位相差が生じた各光をそれぞれ異なる２偏光方向に
分離し、最終的に前記測定対象の反射光をそれぞれ互い
に異なる４つの偏光成分に分離する複数の光学部材と、
この複数の光学部材にて分離された各偏光成分の光強度
Ｉ1 ，Ｉ2 ，Ｉ3 ，Ｉ4 を検出する４個の受光器と、こ
の４個の受光器にて検出された４つの光強度から下記
(1)(2)式を用いて、前記反射光における楕円偏光の位相
差Δおよび振幅比ψからなるエリプソパラメータを算出
する演算部とを備えたエリプソメータ。 tan（Δ−φ₀ ）＝σＲ（Ｉ1 −Ｉ2 ）／σＴ（Ｉ3 −Ｉ4 ） …(1) tanψ＝［χ（σＲ² −σＴ² ）／２］ ×［σＲ² （Ｉ1 −Ｉ2 ）² ＋σＴ² （Ｉ3 −Ｉ4 ）² ］^1/2 ÷［σＲ² （Ｉ1 ＋Ｉ2 ）−σＴ² （Ｉ3 ＋Ｉ4 ）］ …(2) 但し、位相差φ₀ および振幅比χは前記測定対象に対す
る入射光の偏光状態で定まるパラメータであり、σＲお
よびσＴは前記反射光を４つの偏光成分に分離する光学
系で定まる定数である。3. A light source unit for making polarized light incident on a measurement target at a predetermined angle, a non-polarization beam splitter for splitting reflected light reflected by the measurement target into two directions different from each other, and this non-polarization beam splitter. A wavelength plate that relatively changes the phase of each of the light beams that are split by, and separates each light beam that has a phase difference in this wavelength plate into two different polarization directions, and finally reflects the measurement target. A plurality of optical members for separating light into four different polarization components,
From the four light receivers that detect the light intensities I1, I2, I3, and I4 of the respective polarization components separated by the plurality of optical members, and the four light intensities detected by these four light receivers,
An ellipsometer, comprising: an arithmetic unit for calculating an ellipso parameter composed of a phase difference Δ and an amplitude ratio ψ of the elliptically polarized light in the reflected light, using the expressions (1) and (2). tan (Δ−φ ₀ ) = σR (I 1 −I 2) / σT (I 3 −I 4) ... (1) tan ψ = [χ (σR ² −σT ² ) / 2] × [σR ² (I1-I2) ² + ΣT ² (I3 -I4) ² ] ^1/2 ÷ [σR ² (I1 + I2) -σT ² (I3 + I4)] (2) However, the phase difference φ ₀ and the amplitude ratio χ are parameters determined by the polarization state of the incident light with respect to the measurement target, and σR and σT separate the reflected light into four polarization components. It is a constant determined by the optical system.