(57)【要約】本発明はサンプル（７）のミューラー・マトリックス係数の偏光測定装置と偏光測定方法とに係るものである。偏光測定装置は光ビーム（２）を発生する励起部（１）を含んでいる。この光ビームは偏光状態発生器（ＰＳＧ）（５）を通ってサンプルホルダー（３）の上のサンプル（７）に焦点を結ぶ。サンプル表面（８）上で反射してからビームは分析部（４）を通り、この分析部は偏光状態検出器（ＰＳＤ）もしくはポラリメーター（９）と検出手段（１０）とを含んでいる。本発明によれば励起部（１）が放射した光ビーム（２）は遠紫外線から可視光線までのスペクトル範囲にある。この光ビームは励起部（１）を通って、遠紫外線吸収性ガスの低圧の下で分析部（４）へ伝播する。偏光測定装置は一つもしくはそれ以上の気密室（１７）を備えており、これらの気密室が前記の励起部、分析部そしてサンプルホルダーを含んでいる。
2005520132.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミューラーマトリックスの係数により表されるサンプルの偏光測定法であって、偏光状態発生器（PSG）が生じる入射偏光ビームが気密室内のサンプルを照射し、前記の偏光ビームはサンプルにより反射され、偏光検出器（ＰＳＤ）により分析され、それから検出手段により測定され、これらのPSG、サンプル、そして検出手段は少なくとも気密室内に配置されている偏光測定法において、
遠紫外線から可視光線のスペクトル範囲の光ビームで前記のサンプルを照らし、
遠紫外線の高い吸収性の気体の低い部分圧の下で行われた偏光測定からミューラーマトリックスの係数を求め、そして
前記の気密室を吸引して遠紫外線の高い吸収性の気体を排出する
ことを特徴とした偏光測定法。
【請求項２】
前記の気密室を吸引することにより遠紫外線の高い吸収性の気体を排出して、前記の気密室を遠紫外線の非吸収性の気体で充填する請求項１に記載の偏光測定法。
【請求項３】
励起部が放出する入射光のエネルギー範囲が１．５ｅVと９．５eVとの間である請求項１もしくは２に記載の偏光測定法。
【請求項４】
サンプルを表しているパラメータは偏光解析法により測定される請求項１，２もしくは３のいずれかに記載の偏光測定法。
【請求項５】
入射光ビームは周波数ωで位相変調器により変調され、変調振幅δ（ｔ）の関数として測定される強度I（ｔ）は
2005520132.tif 000011
で求められ、ここで
第１のフーリエ変換処理手段が信号I（ｔ）を周波数ωと２ωにおいてフーリエ要素Ｓ０（ｄｃ）、Ｓ１、Ｓ２に分析し、
第２の処理手段が測定された調波成分Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２からＩo、ＩＳ、Ｉｃの値を次の式に従って求め、
2005520132.tif 000012
、ここでJ０、J１、J２は次数０，１，２のベッセル関数であり、Ｔ１、Ｔ２は検出手段の定数であり、そしてｃＣ，０,ｃＳ，０,ｃＳ,ω,ｃＳ,２ωは３つのフーリエ成分の間の弱結合を記述しており、変調振幅AはＪ０（A）＋ｃｃ，０＝０のように一般に選択され：
2005520132.tif 000013
（T１、T２）と（ｃC,０、ｃS,０、ｃS,ω、ｃS,２ω）の分光器変数は前記の偏光状態発生器Ｐ、変調器Ｍ、偏光検出器Aのオリエンテーションで測定された実験値へ多項式変分を合わせることにより計算でき、それらの較正はＰ−M＝±４５°；A＝０°、９０°；M＝±４５°、そしてＰ−M＝±４５°；A＝±４５°、M＝±４５°であり、
第３の処理手段が簡単な三角関数に従って値ΨとΔをｌc、ｌs、ｌcから求める請求項４に記載の偏光測定法。
【請求項６】
実験値（T１、T２、ｃC,０、ｃS,０、ｃS,ω、ｃS,２ω）を求めるのに第４次多項式を使用する請求項５に記載の偏光測定法。
【請求項７】
前記の変調器の周波数ωが３０ｋＨｚと６０ｋＨｚとの間にある請求項５もしくは６に記載の偏光測定法。
【請求項８】
偏光状態発生器と光ビームの焦点をサンプルに結ばせる光学手段とを備える光ビームを放出する励起部、
サンプル・ホルダー、
偏光検出器と検出手段とを備える分析部
を備え、前記の励起部が放出する光ビームは遠紫外線から可視光線のスペクトル範囲内にあって、
遠紫外線吸収気体の低い部分圧の下で前記の光ビームは前記の励起部を通って、前記の分析部まで通り、
偏光システムは少なくとも気密室を備え、この気密室は前記の励起部、前記の分析部そして前記のサンプル・ホルダーを含み、そして
前記の気密室はポンピング・ステーションと圧力監視手段とを含んでいる
ことを特徴とする偏光測定装置。
【請求項９】
前記の気密室は相互に接続されて一つの室を形成している請求項８に記載の偏光測定装置。
【請求項１０】
ポンピング・ステーションが少なくとも一次ポンプを備えている請求項８もしくは９に記載の偏光測定装置。
【請求項１１】
偏光測定装置は前記の気密室を加熱する、もしくは光学的要素の熱安定性を図る加熱手段を備えている請求項８ないし１０のいずれかに記載の偏光測定装置。
【請求項１２】
偏光測定装置は前記の加熱手段の温度を所定の温度範囲内に調整する制御手段を含んでいる請求項１１に記載の偏光測定装置。
【請求項１３】
偏光測定装置は遠紫外線非吸収性気体源と前記の気密室に気体を注入、排気する手段を備えている請求項８ないし１２のいずれかに記載の偏光測定装置。
【請求項１４】
前記の気体が窒素N２である請求項１３に記載の偏光測定装置。
【請求項１５】
前記のサンプル・ホルダーが外部手段により制御されるサンプル・ホルダー傾斜手段を備えている請求項８ないし１４のいずれかに記載の偏光測定装置。
【請求項１６】
前記の励起部が偏光子の前に配置されたモノクロメーターを備えている請求項８ないし１５のいずれかに記載の偏光測定装置。
【請求項１７】
前記の検出手段がモノクロメーターを備えている請求項８ないし１５のいずれかに記載の偏光測定装置。
【請求項１８】
前記のモノクロメーターの入口にスリットがあり、前記の結焦手段は入口スリットにビームの焦点を結ばせる請求項１６もしくは１７のいずれかに記載の偏光測定装置。
【請求項１９】
前記の結焦手段はＭｇＦ２レンズもしくは別のＦＵＶ透過材料から成る請求項１８に記載の偏光測定装置。
【請求項２０】
前記の検出手段は、可視光線から紫外線までのスペクトル範囲における輻射線をカバーする第１の検出器と遠紫外線スペクトルの輻射線を検出する第２の検出器とを備えている請求項８ないし１９のいずれかに記載の偏光測定装置。
【請求項２１】
寄生ビームを排除するため前記の第１検出器と第２検出器の前にダイアフラムを配置した請求項２０に記載の偏光測定装置。
【請求項２２】
前記の光学手段は凹面鏡を備える請求項８ないし２１のいずれかに記載の偏光測定装置。
【請求項２３】
前記の凹面鏡は保護層で被膜され、この保護層はＭｇＦ２である請求項２２に記載の偏光測定装置。
【請求項２４】
前記の偏光システムはエリプソメーターである請求項８ないし２３に記載の偏光測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はサンプルの特性パラメータを偏光測定する方法とサンプルを分析する偏光測定装置に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
サンプルを表す特性パラメーター（例えば、それの組成や厚み）を測定するのに偏光解析法を使用するのが普通である。
【０００３】
偏光解析法は、サンプルから電磁輻射を反射することにより反射データを測定する強力な非侵入プローブである。簡単に言えば調べているサンプルの表面をフォトン・ビームにより照射し、反射した（伝達される）ビームの偏光状態を入射ビームと比較する。
【０００４】
この偏光解析技術ではビームの偏光ベクトルＥは、入射面に対して垂直なＥＳと平行なＥＰとにより表される。調べている表面とビームとの相互作用により生じる偏光状態の変化を示す比は次の複素量で表される。
2005520132.tif 000003
【０００５】
目的は所与の表面についての独立パラメーターΨとΔを測定することである。
【０００６】
この従来の偏光解析法は滑らかな界面を持つ等方性の層を測定するときは満足すべきものであることは判っている。
【０００７】
偏光物質を研究するにはさらに一般的な方法が必要となる。
【０００８】
偏光測定装置により媒体内の光の総ての偏光成分が測定できる。
【０００９】
光の偏光状態はストーク光ベクトルと呼ばれる４次元ベクトルにより完全に表すことができる。
【００１０】
これについての説明は「偏光解析と偏光」（ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ  ａｎｄ  ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  ｌｉｇｈｔ）と題するアザムとベシャラの著作、ノース・ホーランド、５５−６０頁を参照されたい。
【００１１】
ストークベクトルは４つの異なる偏光状態の平均強度をそれぞれが表すI、  Q、  U、  V座標成分から成る。
【００１２】
光と媒体との相互作用は、４×４、それ故１６個の係数のマトリックス、いわゆるミューラーマトリックスにより表される。
【００１３】
偏光測定中にその１６個のパラメーターを求めることによりその媒体の特性を求めることができる。
【００１４】
従来の偏光分析の特別の場合ではこのマトリックス法は簡単な２×２のマトリックス、いわゆるジョーンズ・マトリックスになる。
【００１５】
最新の偏光測定法が使用する光源が発生する照明ビームのフォトンエネルギーは１．５ないし６．０ｅＶにわたっている。すなわち可視光と近紫外線（ＶＩＳ−ＵＶ）に相当する。
【００１６】
遠紫外線（ＦＵＶ）に、典型的に９もしくは１０ｅＶまで延長すると、多くの物質の精確な特性、例えば現在の偏光測定装置では計測不能のバンドギャップの広い半導体（ＧａＮ,Ｃ、…・）、ハイ・ケィ（ｈｉｇｈ−ｋ）誘電体の精確な特性を求めることができ、マイクロエレクトロニック・プロセスで現在使用されるフォトン波長（１５７ｎｍ）での光学的測定を遂行する能力になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の目的は上述の欠点を解消することであり、そして以下の特徴と利点の一つもしくはそれ以上を有する偏光測定装置を提供することである。すなわち、リアルタイムで測定できる、迅速なデータ取得、遠紫外線における広いフォトンエネルギー範囲を提供、そして簡単でコンパクトな設計。
【００１８】
加えて、本発明の目的はサンプルを表すパラメーターの測定法を提供することであり、その方法は迅速、精確そして実施容易である。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
この目的のため本発明は、ミューラーマトリックスの係数により表されるサンプルの偏光測定法であって、偏光状態発生器（PSG）が生じる入射偏光ビームが気密室内のサンプルを照明し、前記の偏光ビームはサンプルにより反射され、偏光検出器（ＰＳＤ）により分析され、それから検出手段により測定され、これらのPSG、サンプル、そして検出手段は少なくとも気密室内に配置するようにした偏光測定法に係るものである。
【００２０】
本発明では、
−  遠紫外線から可視光線のスペクトル範囲の光ビームで前記のサンプルを照らし、
−  遠紫外線の吸収性の高い気体の低い部分圧の下で行われた偏光測定からミューラーマトリックスの係数を求める。
【００２１】
本発明の様々な実施例では、以下の特徴を個別に有し、もしくはすべてを組合せている。
【００２２】
●  前記の気密室の内側で遠紫外線非吸収気体の過大圧力を生じさせることにより遠紫外線の吸収性の高い気体を排出する。
●  前記の気密室を吸引することにより遠紫外線の吸収性の高い気体を排出する。
●  前記の気密室を吸引することにより遠紫外線の吸収性の高い気体を排出してから、前記の気密室を遠紫外線の非吸収性の気体で充填する。
●  励起部が放出する入射光のエネルギー範囲は１．５ｅVと９．５eVとの間である。
●  サンプルを表しているパラメータは偏光解析法により測定される。
●  入射光ビームは周波数ωで位相変調器により変調され、変調振幅δ（ｔ）の関数として測定される強度I（ｔ）は
2005520132.tif 000004
で求められ、ここで
第１のフーリエ変換処理手段が信号I（ｔ）を周波数ωと２ωにおいてフーリエ要素Ｓ０（ｄｃ）、Ｓ１、Ｓ２に分析し、
第２の処理手段が測定された調波成分Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２からＩo、ＩＳ、Ｉｃの値を次の式に従って求める。
2005520132.tif 000005
ここでJ０、J１、J２は次数０，１，２のベッセル関数であり、Ｔ１、Ｔ２は検出手段の定数であり、そしてｃＣ，０,ｃＳ，０,ｃＳ,ω,ｃＳ,２ωは３つのフーリエ成分の間の弱結合を記述しており、変調振幅AはＪ０（A）＋ｃｃ，０＝０のように一般に選択される。
2005520132.tif 000006
●  （T１、T２）と（ｃC,０、ｃS,０、ｃS,ω、ｃS,２ω）の分光器変数は前記の偏光状態発生器Ｐ、変調器Ｍ、偏光検出器Aのオリエンテーションで測定された実験値へ多項式変分を合わせることにより計算でき、それらのキャリブレーションもしくは較正はＰ−M＝±４５°；A＝０°、９０°；M＝±４５°、そしてＰ−M＝±４５°；A＝±４５°、M＝±４５°であり、
第３の処理手段が簡単な三角関数に従って値ΨとΔをｌ０、ｌs、ｌcから求める。
●  実験値（T１、T２、ｃC,O、ｃS,O、ｃS,ω、ｃS,２ω）を求めるのに４次多項式を使用する。
●  前記の変調器の周波数ωが３０ｋＨｚと６０ｋＨｚとの間にある。
【００２３】
本発明は、
−  偏光状態発生器と、サンプルに光ビームの焦点を結ばせる光学手段とを備える光ビームを放出する励起部、
サンプル・ホルダー、
偏光検出器と検出手段とを備える分析部
を備える偏光測定装置にも係るものである。
【００２４】
本発明に従って、
−  前記の励起部が放出する光ビームは遠紫外線から可視光線のスペクトル範囲内にあり、
−  遠紫外線吸収気体の低い部分圧の下で前記の光ビームは前記の励起部を通って、前記の分析部まで通り、
−  偏光測定装置は少なくとも気密室を備え、この気密室は前記の励起部、分析部そしてサンプル・ホルダーを含む。
【００２５】
本発明の様々な実施例では、以下の特徴を個別に有し、もしくはすべてを組合せている。
【００２６】
●  前記の気密室は相互に接続されていて一つの室を形成している。
●  前記の気密室はポンピング・ステーションと圧力監視手段とを備えている。
●  ポンピング・ステーションは少なくとも一次ポンプを備えている。
●  偏光測定装置は前記の気密室を加熱する、もしくは光学的要素の熱安定性を図る加熱手段を備えている。
●  偏光測定装置は前記の加熱手段の温度を所定の温度範囲内に調節する制御手段を含んでいる。
●  偏光測定装置は遠紫外線非吸収性気体源と前記の気密室にそれらの気体を注入、排気する手段を備えている。
●  前記の気体は窒素N２である。
●  前記のサンプル・ホルダーが外部手段により制御されるサンプル・ホルダー傾斜手段を備えている。
●  前記の励起部が偏光子の前に配置されたモノクロメーターを備えている。
●  前記の検出手段はモノクロメーターを備えている。
●  前記のモノクロメーターの入口にスリットがあり、前記の結焦手段はビームを入口スリットにビームの焦点を結ばせる。
●  前記の結焦手段はＭｇＦ２レンズもしくは別のＦＵＶ透過材料から成る。
●  前記の検出手段は、可視光線から紫外線までのスペクトル範囲における輻射線をカバーする第１の検出器と遠紫外線スペクトルの輻射線を検出する第２の検出器とを備えている。
●  寄生ビームを排除するため前記の第１検出器と第２検出器の前にダイアフラムを配置している。
●  前記の光学手段は凹面鏡を備える。
●  前記の凹面鏡は保護層で被膜され、この保護層はＭｇＦ２である。
●  前記の偏光システムはエリプソメーターである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の実施例を以下に添付図を参照して説明する。
【００２８】
添付図は本発明を説明するためのものであって、本発明をそれにより限定するためのものではない。
【００２９】
図１に示す本発明の偏光測定装置は光ビーム２を放出する励起部１、サンプルホルダー３そして分析部４を含んでいる。
【００３０】
励起部１は偏光状態発生器５（ＰＳＧ）を備え、これを光ビーム２が通る。第1光学手段６がビーム２をサンプルホルダー３の上のサンプル７にその焦点を結ばせる。ビーム２はサンプル表面８で反射し、そして分析部４を通る。さらに一般的な場合としてビームはこのサンプル表面８で散乱し、そして分析部４を通る。分析部は偏光状態検出器９（ＰＳＤ）もしくは偏光計と光ビーム２を検出する検出手段１０とを備える。
【００３１】
偏光測定装置は、光ビーム２が偏光状態発生器５に入る前に、第1の実施例で配置されているモノクロメーター１１を備えている。第2の実施例ではそれは偏光状態検出器９を出た後に配置されており、そして結焦手段１３はビームの焦点を入口スリット１２に結ばせる。
【００３２】
結焦手段１３はＭｇＦ２レンズもしくはそれと均等の遠紫外線透過レンズを含む。
【００３３】
本発明は滑らかな界面を有する等方性の層に対し偏光測定を行う、特別な場合の従来の偏光分析に係るものでもある。
【００３４】
図２に示すように本発明の偏光分析装置は、光ビーム２を放出する励起部１、サンプル・ホルダー３そして分析部４を含んでいる。
【００３５】
励起部１は入射ビーム２を偏光する偏光子もしくは偏向プリズム５を備えている。偏光子５を出た光ビーム２の偏光状態は精確に知られている。それから光ビームは、好ましくは光弾性の位相変調器１４を通り、これがビーム２を周波数ωで変調する。光弾性の変調器１４は、好都合なことに広い光学的ウインドウを有することが知られている。
【００３６】
位相変調器１４を通過した後ビーム２は第1光学手段６に入り、サンプルホルダー３のサンプル７に焦点を結ぶ。サンプルホルダー３はサンプルホルダーを傾斜させる手段を含むのが好ましい。励起部１が放射する光ビーム２の伝播方向と向きが入射角を決める。サンプル表面８上の光ビーム２の入射角はサンプル表面８に対する垂直線に対して焦点ビームがその表面にぶつかる角度として決められる。例えば、サンプル表面８に垂直に入射したビームの入射角度は零である。ビームの入射角度は変えれるようにするのが都合がよい。焦点ビームの目的はサンプルに小さい点をつくること、すなわち、数十分の一平方ミリより小さいコンパクトなスポットをつくることである。このスポットはサンプル表面８をマップするに十分な横方向の分解能を与える。
【００３７】
サンプル表面８が反射したビーム２が分析部４に入る。この分析部４は分析器９と第2の光学手段１５を備え、この光学手段１５は分析器９と検出手段１０とを結合している。第１と第２の光学手段６，１５は凹面鏡であるのが好ましい。ＭｇＦ２層のような保護層をその凹面鏡の表面に沈着させるとよい。検出手段１０が検出した信号を処理ユニット１６へ送る。この処理ユニット１６はデーター信号プロセッサーとコンピューターとを含んでいる。データー信号プロセッサーはアナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）とＦＩＦＯタイプのメモリーを装備している。
【００３８】
偏光分析装置は、第１の実施例では、モノクロメーター１１を備えており、このモノクロメーター１１は励起部１内にある。光ビームの伝播方向で見て、偏光子５の前にモノクロメーター１１が置かれている。第２の実施例では、分析部４内でモノクロメーター１１は、分析器９と検出手段１０との間に配置される。スリット１２はモノクロメーター１１の入口にあって、結焦手段１３はこの入口スリット１２にビームの焦点を結ばせる。結焦手段１３はＭｇＦ２レンズを含んでいると好都合である。
【００３９】
本発明に従って偏光測定装置は少なくとも一つの気密室１７を備えており、この気密室１７は前記の励起部１、分析部４そしてサンプルホルダー３を含んでいる。このサンプルホルダー３の傾斜は、サンプルホルダーを含む気密室１７の外部手段により調整される。好ましい実施例では複数の気密室１７が相互に接続されていて一つの容器を形成している。
【００４０】
さらに、励起部が放出した光ビーム２は遠紫外線から可視光線のスペクトル範囲にある。電磁波スペクトルの「遠紫外線」範囲を以後、６ｅＶから１０．３ｅＶのフォトンエネルギー範囲と呼ぶ。酸素、オゾン、水蒸気などの環境ガスによる遠紫外線の吸収を回避するため遠紫外線の高い吸収性ガスの低い部分圧の下で励起部１を通り、分析部４を通って光ビームが伝播する。以後、この「低い部分圧」を１０−４から１０−３ミリバールの範囲の遠紫外線の高い吸収性ガスの部分圧と呼ぶ。
【００４１】
ポンピング・ステーション１８を使って空気を排出するか、もしくは気密室１７を窒素Ｎ２のような遠紫外線非吸収性ガスで濯ぐかのどちらかにより気密室１７内の遠紫外線吸収性ガスの低い部分圧をつくるのが好ましい。ポンピング・ステーション１８を使って排気し、それから気密室を窒素Ｎ２のような遠紫外線非吸収性ガスで濯ぐことによって遠紫外線吸収性ガスの低い部分圧をつくってもよい。気密室は圧力監視手段１９を含んでいてポンピング・ステーション１８によりつくった真空を監視する。ポンピング・ステーション１８は少なくとも回転ポンプのような一次ポンプを含んでいる。しかし、他のもしくはターボーモルキュラーポンプのような補足的な真空装置を含んでいてもよい。監視手段１９は例えばマノメーターと冷陰極ゲージを含んでいる。
【００４２】
気密室１７が排気されると、先に説明した真空状態の下でか、もしくはＦＵＶ非吸収性ガスで気密室１７を周囲圧以上に充填することによりつくられた遠紫外線非吸収環境内のどちらかで偏光測定を行うことができる。真空状態で作動するとき、サンプル調整の目的で気密室１７をＦＵＶ非吸収性ガスで充填しなければならない。
【００４３】
偏光測定装置は遠紫外線非吸収性ガス源２０とこのガスを偏光測定装置に導入する手段２１とを備えている。
【００４４】
遠紫外線吸収性ガスの低い部分圧を、そして特に水蒸気をさらに低くするため気密室に加熱手段２２をさらに装備する。気密室１７は真空でベークもしくは焼いて、気密室の内壁を覆っている水の膜を除く。この水の膜は、例えばサンプル７を取りかえるため室を空気に曝すたびに生じる。室を焼かないと大量に遠紫外線を吸収する水分子が室の内壁からゆっくりと脱離して、室内に残存水蒸気圧を保つことになる。ベークアウトを調整するため偏光分析装置はいろいろな場所で室１７の温度を測定するコントロール・センサー２３と加熱手段の温度を所定の温度範囲内で調整する制御手段２４とを含んでいる。好ましい実施例では加熱手段２２は加熱テープを含み、そして制御手段２４は温度ゲージを含んでいる。
【００４５】
以下に本発明の好ましい実施例を添付図を参照して詳述する。
【００４６】
図３は、本発明の偏光測定装置の実施例を示す。
【００４７】
先ず、光学的配置を説明する。励起部１が放出する光ビーム２は光源により発生され、この光源２５は水冷式の高圧アーク放電重水素ランプを含んでいる。光ビーム２のフォトンエネルギーは１．５ないし１０．３ｅＶの範囲にある。光ビーム２は１ないし９．５ｅＶのスペクトル範囲をカバーするモノクロメーター１１を通る。このモノクロメーター１１の０．５ミリの出口スリット２６は２ナノメーターのバンド幅のビームを出す。寄生散乱光がモノクロメーター１１の干渉格子にぶつからないようにするため０．５ミリのスリット１２がこのデバイス１１の入口につくられている。重水素ランプ２５が発生するかなり広がった光ビーム２は、源２５とモノクロメーター１１との間のＭｇＦ２レンズ１３（ｆ＝５０ミリ）により入口スリット１２に焦点を結ぶ。
【００４８】
モノクロメーター１１の後で光ビームは光学手段７１，７２、偏光子５そして位相変調器１４を通ってサンプル表面８に焦点を結ぶ。モノクロメーター１１を出る光ビーム２は偏光子５により線形偏向させられる。偏向子５はＭｇＦ２ロコン偏向子であって、それの主軸は位相変調器１４の主軸に対して４５°に向けられている。位相変調器１４は光弾性変調器で、それのＣａＦ２能動光学素子は５０ｋＨｚの周波数で作動する。ビームの焦点をサンプル表面８に結ばせるため２つのアルミニュームの凹面鏡７１，７２をモノクロメーター１１と偏向子５との間に配置する。それぞれの焦点長さは１５０ミリと２５０ミリである。両方の鏡７１，７２ともＭｇＦ２の薄い層で被膜されていて（約２０オングストロームの厚み）経年劣化を防いでいる。
【００４９】
サンプル表面８で反射した後ビームは分析部４を通る。この分析部４は直径０．３ミリの別のＭｇＦ２ロコン偏向子から成る分析器９を含んでいる。光ビームはこの分析器９を通過した後第３のＭｇＦ２被覆のアルミニューム凹面鏡１５（ｆ＝２００ミリ）により反射され、検出手段１０に焦点を結ぶ。すべてのスペクトル範囲をカバーするため検出手段１０は２つの検出器１０１，１０２を備えている。第１の検出器１０１は、１ないし６ｅＶのスペクトル範囲の輻射を検出するフォトマルチプライヤーである。第２の検出器１０２は、５．５ないし１２ｅＶの輻射を検出するソーラーブラインド・フォトマルチプライヤーである。
【００５０】
ロコン偏向子９を通る光ビームが９０°の相対的な偏向位相差を有する２つのビームに分けられるので、各検出器１０１、１０２の検知域の正面にダイアフラムを配置する。このダイアフラムは両方のビームの同時検出を回避する。検知後信号が処理ユニットへ送られる。
【００５１】
次に、遠紫外線吸収ガスの低い部分圧を得る手段について説明する。すべての光学系は６つの気密室１７１，１７２、・・…１７６に納められており、これらの気密室はすべての遠紫外線吸収性化学種を排出されて真空となっている。これらの気密室１７は相互に結合されていて排気される単一の空間を形成している。気密室１７はモノクロメーター１１と第１の凹面鏡７１とを含んでいる。気密室１７２は第２の凹面鏡７２と、偏向子５と光弾性変調器１４とを含んでいる。気密室１７３の壁にはサンプルホルダー３が固定されている。真空状態では気密室の壁は圧力差によって少し変形しており、そのためビーム２のアライメントは乱れる。この問題を克服するためサンプルホルダー３は外部手段により機械的に傾けれるようにしている。気密室１７４は分析器９と鏡１５とを含み、この鏡は選択された検出器１０に光ビームの焦点を結ばせる。気密室１７５、１７６はそれぞれに、ホトマルチプライヤーとそれに関連したエレクトロニクスとを含んでいる。
【００５２】
水蒸気、酸素、オゾン…のような高度の吸収性ガスの低い部分圧が、ポンピング・ユニット１８で６つの気密室１７１，１７２、…１７６の空間を真空に引くことにより先ず、つくられる。偏向分析装置がこれらの真空状態でもしくは気密室１７１，１７２、…１７６をＦＵＶ非吸収性ガスで周囲圧力以上の圧まで充填することにより準備される。もし真空下で測定が行われると、サンプルの取り替えで窒素のようなＦＵＶ非吸収性ガスで気密室を充填することが必要となる。置換えるとポンピングして真空状態を回復することが必要となる。過圧状態で作動することはサンプル交換の際低圧にしなければならず、そのときにはポンプで引いて吸収性種を排出して、作動状態の過圧までその気密室を充填する。
【００５３】
本発明に従う偏向測定装置の詳細は例示のためであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。例えば、偏向測定装置は本来の場所からの測定に限定されない、すなわち分析しようとするサンプルは外でセットアップでき、それから本来の場所で測定するようにできる。そのためサンプルホルダー３をプロセス・リアクター・チャンバーに置換えることができる。
【００５４】
本発明はサンプル７を表すパラメーターを偏向測定する方法に係るものである。この方法では第1の気密室１７の内側に配したサンプル７は偏向状態発生器（ＰＳＧ）がつくった偏向入射ビーム２により照明される。サンプル７によりビームが反射された後そのビームは偏向状態検出器（ＰＳＤ）９により分析され、それから検出手段１０により測定される。偏向状態発生器５、偏向状態検出器９そして検出手段１０は第1の気密室か、少なくとも第2の気密室のどちらかに配置されている。すべての気密室１７が相互に接続されていてビームが伝播する一つの気密空間を形成しているのが好ましい。
【００５５】
本発明に従って、サンプルの照射前にこれらの気密室から遠紫外線の吸収性の高いガスを排気する。第1の実施例ではこの排気は気密室１７内で遠赤外線非吸収性ガスの過大圧力状態をつくることにより実施される。第2の実施例では排気は、気密室をポンプで排気することにより達成される。第3の実施例では気密室１７をポンプで引くことにより遠紫外線の吸収性の高いガスを排出し、それから気密室１７を遠紫外線非吸収性ガスで充填する。遠紫外線から可視光線までのスペクトル範囲の光ビームでサンプルを照明する。入射光ビームのエネルギー範囲は１．５ｅＶと９．５ｅＶの間にあるのが好ましい。偏向分析からミューラーマトリックスの係数を求める。
【００５６】
ある実施例においてはサンプルを表すパラメーターを位相変調偏向分析により測定している。その場合、光学要素の特性は２×２ジョーンズ・マトリックスにより表すことができるとし、検出手段により検出された強度Ｉ（ｔ）は位相変調器と種々の光学要素の配向とにより生じた変調振幅（δ（ｔ））の関数である。こては次式で示される。
2005520132.tif 000007
【００５７】
この式においてＩは偏向分析装置を通る全ビーム強度であり、強度ＩＯ、ＩＳ、ＩＣは光学要素の位置とサンプルの特性との関数である。第ｎ高調波の振幅Ａｎは基本変調周波数ωの振幅Ａ１よりも遥かに小さい。好ましくは基本周波数は３０ｋＨｚと６０ｋＨｚとの間である。    
【００５８】
第1のフーリエ変換処理手段は信号Ｉ（ｔ）をフーリエ成分Ｓ０（ｄｃ）と周波数ωと２ωのフーリエ成分Ｓ１、Ｓ２とに分ける。
【００５９】
偏向解析角ΨとΔはＩＯ、ＩＳ、ＩＣの三角関数であり、ＩＯ、ＩＳ、ＩＣは測定された高調波成分Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２と次式により関連付けられる。
2005520132.tif 000008
【００６０】
この関係において、係数Ｔ１とＴ２とは検出装置により高調波成分ωと２ωの伝播係数であり、その他の係数は検出された信号の３つのフーリエ成分の間の結合を表している。変調振幅Ａは一般にＪ０（Ａ）＋Ｃｃ，０＝０のように選定される。
【００６１】
比ＳωとＳ２ωを次のように定義する。
2005520132.tif 000009
【００６２】
測定された高調波と強度ｌSとｌCとを関係づける次式は結合係数が１よりも遥かに小さいと仮定した近似式である。
2005520132.tif 000010
【００６３】
係数T１，T２、ｃC，Ｏ、ｃC，ω、ｃS,２ωを決定するためにはＳωとＳ２ωの値を幾つかの条件で測定する必要がある。偏向子５、変調器１４そして分析器９の配向はそれぞれＰ，Ｍ，Ａであり、これらの係数を決定できるようにする較正は以下の条件で行われる。Ｐ−Ｍ＝±４５°；Ａ＝０、９０°；Ｍ＝±４５°そしてＰ−Ｍ＝±４５°；Ａ＝±４５°；Ｍ＝±４５°
【００６４】
従来の偏向分析器を使ってＶＩＳ−ＵＶ範囲で作動させるときは、これらの係数の値は輻射ビームのフォトンエネルギーにより少し変化する。それらは定数として、もしくはフォトンエネルギーの線形関数と考えれる。従って、T１，T２、ｃC，Ｏ、ｃC，ω、ｃS,２ωの値は較正から生じる係数の実験値に最も適応するゼロもしくは一次の多項式から求められる。遠紫外線源を使った偏向分析器ではそれらの係数は大きいスペクトル依存性を示す。好ましくは、四次の多項式により較正係数を求める。
【００６５】
最後の第３の処理手段は簡単な三角関数式によりΨとΔとをＩ０，ＩＳ，ＩＣを求める。
【００６６】
本発明に従ってサンプルを表すパラメーターを偏向測定する装置と方法は様々な形で実施できるが、以下に実例を以ってその得られる結果の質を示す。
【００６７】
実例１
自然の酸化層で覆われている結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）を本発明の方法で調べた。図４は、偏向分析角Ψ２７とΔ２８に対し入射フォトンエネルギー２９の関数として得た実験値（四角）と最適合値（実線）とを示している。薄い粗い自然の酸化層で覆われたｃ−Ｓｉの準無限媒体としてのウエーファーを考えて実験値をシュミレートした。その被覆層は気泡とＳｉＯ２の混合から成る。求めるパラメーターは入射角と自然酸化層の厚みである。気泡内包物の体積は３５％に一定に保たれていて粗い層の厚みとの相関性を回避している。その粗い自然酸化層の厚みと入射角について得られた最適合値は１６±３オングストロームと７３．７±０．１°である。
【００６８】
実例２
ｃ−Ｓｉウエファー上に熱的に成長したＳｉＯ２のフイルムを調べた。このサンプルの光学的応答はｃ−Ｓｉの準無限媒体に沈着したニ層構造であるとしてモデル化した。ｃ−Ｓｉ媒体と接触した層は純粋なＳｉＯ２から成るものと考える。頂部上の第２層は酸素の可能な限り粗いものと考える。これら２つの層の厚みは求めるパラメーターとした。
【００６９】
図５はΨ２７とΔ２８の実験値（四角）とシュミレートした値（実線）とを示す。純粋なＳｉＯ２層に対しては６２７０±１０オングストロームを、粗い層に対しては７０±５オングストロームを最適合値として用い、全体を６３４０±１５オングストロームの厚みの熱ＳｉＯ２のフイルムとした。このサンプルを従来のＶＩＳ−ＵＶ偏向分析法を用いて別に測定して、同じニ層モデルを想定して実験値を求めた。熱ＳｉＯ２のフイルムに対して最適として得られた全厚みは６３３０±１０オングストロームであった。これは遠紫外線偏向測定で求めた値と誤差範囲内で一致しており、偏向測定技術の性能を確認することができた。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の偏光測定装置の略図。
【図２】本発明の偏光解析装置の略図。
【図３】本発明の第１の実施例の略図。
【図４】自然のままの酸化層で被膜された結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）ウエファーの偏光解析角ΨとΔに対する入射フォトン・エネルギーの関数として得られる実験値（四角）と最もよく合った値（実線）とを示す図。
【図５】（ｃ−Ｓｉ）ウエファーの上に熱的に成長したＳｉＯ２の薄いフイルムの偏光解析角ΨとΔに対する入射フォトン・エネルギーの関数として得られる実験値（四角）と最もよく合った値（実線）とを示す図。
【符号の説明】
【００７１】
１      励起部
２      光ビーム
３      サンプルホルダー
４      分析部
５      偏光子
６      第1光学手段
７      サンプル
８      サンプル表面
９      分析器  （ロコン偏向子）
１０    検出手段
１１    モノクロメーター
１２    入口スリット
１３    結焦手段
１４    位相変調器
１５    凹面鏡
１６    処理ユニット
１７    気密室
１８    ポンピング・ステーション
１９    圧力監視手段
２０    遠紫外線非吸収性ガス源
２１    ガス導入手段
２２    加熱手段
２３    コントロール・センサー
２４    制御手段
２５    光源  （重水素ランプ）
２６    出口スリット
７１    光学手段  （凹面鏡）
７２    光学手段  （凹面鏡）
１０１  検出器
１０２  検出器
１７１  気密室
１７２  気密室
１７６  気密室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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