JPS612027A - 楕円偏光計の回転検光子と回転位相検出素子との位相差検出法 - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） 本発明は、回転検光子を用いた楕円偏光計に関する。

串を測定する楕円偏光計は、試料を破壊することなく、
試料からの反射光の偏光の状態の変化を観測することに
よって、試料の光学定数、厚さの非常に薄い単層膜の膜
厚の測定などを高精度で行なうことができるので、従来
から試料の膜厚の測定などの用途に用いられていること
は周知のとおりであり、また、試料の膜厚の自動測定の
ために用いられる楕円偏光計としては、回転検光子を用
いた楕円偏光計が用いられることが多い。

さて、やめ定められた入射角で試料面に投射された光の
反射光を、回転位相検出素子に対して同軸的に設けられ
ている如き回転検光子に入射させ、前記の回転検光子か
ら出射した光を光検出器で受光するようになされている
楕円偏光計では、試料面への光の入射角を、前記した予
め定められている角度に正確に一致させることが必要で
あるとともに、それの回転検光子と回転位相検出素子と
の位相差が正確に判かっていなければならないが。

入射角が固定されている状態の光学系について、その光
学系中に設けられている回転検光子と回転位相検出素子
との位相差を測定する手法は従来知られていなかったの
で、従来の楕円偏光計で、それの回転検光子と回転位相
検出素子との位相差を検出するのには、光源からの光、
すなわち、偏光の状態が既知の直線側　　＝、゛ 光を反射面を介することなく直接に回転検光子に入射さ
せることによって、回転検光子と回転位相１炎出Ｊくイ
どの位相差の検出を行なうようにしていた。

（発明が解決しようとしている問題点）ところが、偏光
の状態が既知な直線偏光を出射するレーザからの光を反
射面を介することなく直接に回転検光子に入射させるこ
とによって１回転検光子と回転位相検出素子との位相差
の検出を行なうようにしている楕円偏光計では、それを
実際の測定に使用する場合に、光源からの光が試料面に
対して予め定められた入射角に正確に一致する入射角度
で入射するようにし、また、試料面からの反射光がピン
ホールを通して回転検光子に正しく入射されるようにな
されなければならないから、光源を含んで構成されてい
る部分と、回転検光子を含んで構成されている部分とは
、光源からの光を反射面を介することなく光軸が合致し
ている状態で直接に回転検光子に入射させて、回転検光
子と回転位相検出素子との位相差の検出を行なうように
する場合と、光源の光を試料面に予め定められた入射角
度で入射させるようにする場合とにおいて、それぞれの
部分の取付角度が、それぞれの場合についてそれぞれ所
望の角度となるように極めて正確に設定されることが必
要とされる。

しかし、各構成部分の取付角度が前記のように極めて精
密に可変調節されるようにするための機構部の構成＠様
は精密かつ複雑なものとなり、設計の自由度が低く製品
が高価なものになってしまう他、角度の狂いが生じて測
定精度が低下するおそ九があり、また、構成部分におけ
る消耗部品の交換時などに、困難な光軸合わせ作業が必
要になるという問題点があった。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、予め定められた入射角で試料面に投射された
光の反射光を、回転位相検出素子に対して同軸的に設け
られている如き回転検光子に入射させ、前記の回転検光
子から出射した光を光検出器で受光するようになされて
いる楕円偏光計における回転検光子と回転位相検出素子
との位相差の検出法であって、予め定められた入射角で
試料面に投射された光が試料面で反射して生じた反射光
における偏光の状態が既知であるような物質を試料とし
て使用した状態において、回転検光子と同軸的に設けら
れている回転位相検出素子からの出力信号を基準にしＣ
得られた光検出器の出力信号の時間軸上での変化の態様
と、前記の試料を使用した際に、光検出器から理論上櫛
られるべき出力信号の時間軸上での変化の態様とに基づ
いて、回転検光子と回転位相検出素子との位相差を検出
するようにした楕円偏光計の回転検光子と回転位相検出
素子との位相差検出法を提供するものである。

（実施例） 以下、添付図面を参照しながら本発明の楕円偏光計の回
転検光子と回転位相検出素子との位相差検出法について
、それの具体的な内容を詳細に説明する。

第１図は、本発明の楕円偏光計の回転検光子と回転位相
検出素子との位相差検出法が適用される楕円偏光計の一
例構成を示すブロック図であり、この第１図において、
１は光源及び出射側の光学系であって、この光源及び出
射側の光学系１からは、所定の偏光状態の光１１が試料
９の面に予め定められた入射角θで投射される。前記し
た光源及び出射側の光学系１としては、例えば、光源と
してＨｅＮｅレーザを用い、また、出射側の光学系とし
ては、１／４波長板と、シャッタと、偏光子（例えば、
グラントムソンプリズム）と、１７４波長板などで構成
されたものが使用できる６ 試料９の表面で反射された光１２は、回転検光子２（例
えば、グラントムソンプリズム）に入射され、前記の回
転検光子２から出射した光１３は光検出器４にケ、えら
れる。３は前記した回転検光子２と同軸に−・体的に回
転するようになされている回転位相検出素子であり、こ
の回転位相検出素子３としては、例えば、回転エンコー
ダを使用できるのであり、以トの記載においては、回転
位相検出素子３として回転エンコーダが使用されている
ものとして説明されることもある。

回転検光子２と回転エンコーダ３とは、図示されていな
い軸受によって支持されていて５図示されていない駆動
源から供給される動力によって所定の回転数（例えば、
毎分数百回転）で回転されるようになされている。

光源及び出射側の光学系１から試料９に投射された特定
な偏光の状態の光は、既述もしたように試料９で反射し
て回転検光子２に与えられるが、試料９による反射光の
偏光の状態は、試料９への入射光の入射角、試料９の厚
さ、試料の光学定数などに応じて定まったものになって
いる。

それで５回転検光子２の回転角度の変化と対応して変化
する光検出器４からの出力信号３１の時間軸上での変化
状態を知ることによって、未知のパラメータを求めるこ
とが可能なのであり、それは例えば、回転エンコーダ３
からの出力信号２１をタイミング信号として電子計算機
７に与えるとともに、光検出器４からの出力信号３１を
アナログ・デジタル変換器６によってデジタル信号３２
に変換して電子計算機７に与え、所定の演算を施こすこ
とによって容易に実現される。図において８はディスプ
レイである。

ところが、前記した電子計算機７における演算に際して
、回転検光子２における方位と、回転エンコーダ３にお
ける基準の位相とが精密に一致していない場合には、演
算の結果によっても正しい答えが得られない。因みに、
楕円偏光計において、それの回転検光子２における方位
と、回転エンコーダ３における基準の位相とについては
、０．０１゜以下の差異におさえることが要求されるこ
とも珍らしくはない。

本発明は、予め定められた入射角で試料面に投射された
光の反射光を、回転位相検出素子に対して同軸的に設け
られている如き回転検光子に入射させ、前記の回転検光
子から出射した光を光検出器で受光するようになされて
いる楕円偏光計における回転検光子と回転位相検出素子
との位相差を検出するのに、予め定められた入射角で試
料面に投射された光が試料面で反射して生じた反射光に
おける偏光の状態が既知であるような物質を試料として
使用した状態において１回転検光子と同軸的に設けられ
ている回転位相検出素子からの出力信号を基準にして得
られた光検出器の出力信号の時間軸上での変化の態様と
、前記の試料を使用した際に、光検出器から理論上掛ら
れるべき出力信号の時間軸上での変化の態様とに基づい
て、回転検光子と回転位相検出素子との位相差を検出す
るようにしたものであり、まず、数式をも参照して本発
明の原理について説明する。

光の偏光の状態は、Ｐ、Ｑの直交する２つの平面内での
光の振動の重ね合わせで記述できることは周知のとおり
である。第２図は試料９における入射光１１と反射光１
２とを示しており、この図においてＰは入射光１１の入
射面を含む平面の方向（Ｐ軸）、Ｓは前記した入射面に
直交する平面の方向（Ｓ軸）を表わしている。

反射面における系全体のフレネルの反射係数をＲｐ、Ｒ
ｓ（Ｐ方向の反射率Ｒｐ、Ｓ方向の反射率Ｒｓ）として
、それの比を求めると次の（１）式で示される。

Ｒｐ／Ｒｓ＝ｔａｎ　　ψｅｘｐ（ｉΔ）・・・・・・
（１）（１）式において、ｔａｎ　ψは反射光における
Ｐ方向の振幅とＳ方向の振幅との比であり、また、Δは
反射光におけるＰ方向とＳ方向との位相差である。

次に、ジョーンズの行列を用いて、反射面における光の
状態についての説明を行なう。反射面に入射させるべき
入射光は、それの強度が時間軸上で一定で、かつ、偏光
状態が時間軸上で一定でありさえすれば任意なのである
が、今、入射光Ｉｉとしては（２）式で示されるもので
あるとする。

前記の（２）式で示される入射光は、それが反射面に投
射されると、偏光状態は（３）式で示されるジョーンズ
のベクトルで表わされるようなものに変化する。

そして、本発明の楕円偏光計の回転検光子と回転位相検
出素子との位相差検出法においては、楕円偏光計の回転
検光子と回転位相検出素子との位相差の検出時に、既述
もしたように光源から試料９の反射面に予め定められた
入射角で投射された光が、試料９で反射して生じる反射
光の偏光の状態が既知、すなわち、パラメータφとパラ
メータΔとが既知であるような試料９が用いられるので
あるが、今、検光子方位がＰ方向から角度Ａであるとし
、回転検光子の角速度をωとすると、回転検光子の検光
子方位はＡ＝ωｔのように時間軸上で変化するから１回
転検光子のジョーンズの行列は次の（４）式で示される
ものとなる。

したがって、光検出器に与えられる光のＰ方向の成分Ｅ
ρと１、光検出器に与えられる光のＳ方向の成分Ｅｓと
は、次のれ（５）式で示されるものになる。

ただじ、上式において、Ｘ、Ｙはそれぞれ次式で示され
るものである。

Ｘ＝ｔａ’ｎ’　［ｃｏｓ２ＡｔａｎψｓｉｎΔ／　（
ｃｏｓＡｌｌｌｎＡ＋ｃｏｇ”　ＡｔａｎψｃｏｓΔ）
］Ｙ　＝ｔａｒｉ’　［ｃｏｓＡｓｉｎＡｔａｎφｓｉ
ｎΔ／　（ｓｉｎ”　Ａ＋ｃｏｓＡａｉｎＡ−ψｃｏｓ
Δ）］ここで、光検出器４で検出される信号３１は、光
の強度Ｉｏであるが、光の強度は光の電場分布（振幅）
の２乗であるから、光の強度Ｉｏは上記した式より、次
の（６）式で表わされるものになる。

１０：　　　（（ｊａｎ’φ＋１）＋　（ｔ、＞ｎ”ψ
−１）ｃｏｓ２Ａ＋２ｔａｎψｃ、ｏｓΔ５ｉｎ２Ａ）
　−・・・・・・（６） パラメータφと、パラメータΔとが既知の試料９を用い
た場合に、光検出器４から得られるべき出力信号３１の
理論値は、前記した（６）式によって求めることができ
るから、この（６）式によって求ぬられる光検出器４か
らの出力信号３１の時間軸上での理論的な変化態様と、
前記したパラメータφと、パラメータΔとが既知の試料
９を実際に用いて、回転検光子２と同軸的に設けられて
いる回転位相検出素子３からの出力信号を基準にして得
られた光検出器の出力信号の時間軸上での変化の態様と
を比較すオしば、回転検光子２の方位と１回転位相検出
素子３の基準位相との間の位相差φｐを良好に検出でき
る。すなわち、前記した（６）式の計算によって求めた
理論値による波形と、実際に試料を用いて実測して得ら
れた波形との比較に当って、例えば最小自乗近似等の手
段を用いれば、高精度で回転検光子２の方位と、回転位
相検出素子３の基準位相との間の位相差φｐを検出する
ことができる。

（発明の効果） 以上、詳細に説明したところから明らかなように、本発
明の楕円偏光計の回転検光子と回転位相検出素子との位
相差検出法は、予め定められた入射角で試料面に投射さ
れた光の反射光を、回転位相検出素子に対して同軸的に
設けられている如き回転検光子に入射させ、前記の回転
検光子から出射した光を光検出器で受光するようになさ
れている楕円偏光計における回転検光子と回転位相検出
素子との位相差の検出法であって、予め定められた入射
角で試料面に投射された光が試料面で反射して生じた反
射光における偏光の状態が既知であるような物質を試料
として使用した状態において。

回転検光子と同軸的に設けられている回転位相検出素子
からの出力信号を基準にして得られた光検出器の出力信
号の時間軸上での変化の態様と、前記の試料を使用した
際に、光検出器から理論上櫛られるべき出力信号の時間
軸上での変化の態様とに基づいて、回転検光子と回転位
相検出素子との位相差を検出するものであるから、この
本発明の楕円偏光計の回転検光子と回転位相検出素子と
の位相差検出法によれば、光源を含んで構成されている
部分と、回転検光子を含んで構成されている部分とが、
それぞれ試料の面に対して予め定められた角度で固定の
状態になされていても、試料として予め定められた入射
角で試料面に投射された光が試料面で反射して生じた反
射光における偏光の状態が既知であるような物質を使用
することにより、極めて簡単に楕円偏光計における回転
検光子と回転位相検出素子との位相差を精密に検出する
ことができるのであり、本発明の楕円偏光計の回転検光
子と回転位相検出素子との位相差検出法によれば、既述
した従来の問題点はすべて良好に解決できるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の楕円偏光計の回転検光子と回転位相検
出素子との位相差検出法を適用する楕円偏光計の一例構
成のブロック図、第２図は試料と入射光と反射光との説
明図である。 ｌ・・・光源と出射側の光学系、２・・・回転検光子、
３・・・回転位相検出素子、４・・・光検出器、６・・
・アナログデジタル変換器、７・・・電子計算機、８・
・・ディスプレイ、９・・・試料、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 予め定められた入射角で試料面に投射された光の反射光
   を、回転位相検出素子に対して同軸的に設けられている
   如き回転検光子に入射させ、前記の回転検光子から出射
   した光を光検出器で受光するようになされている楕円偏
   光計における回転検光子と回転位相検出素子との位相差
   の検出法であって、予め定められた入射角で試料面に投
   射された光が試料面で反射して生じた反射光における偏
   光の状態が既知であるような物質を試料として使用した
   状態において、回転検光子と同軸的に設けられている回
   転位相検出素子からの出力信号を基準にして得られた光
   検出器の出力信号の時間軸上での変化の態様と、前記の
   試料を使用した際に、光検出器から理論上得られるべき
   出力信号の時間軸上での変化の態様とに基づいて、回転
   検光子と回転位相検出素子との位相差を検出することを
   特徴とする楕円偏光計の回転検光子と回転位相検出素子
   との位相差検出法