(57)【要約】【課題】  偏光を利用して膜厚、屈折率及び屈折率異方性などの光学的パラメータを測定する際に、照射径の大きな光を用いても測定精度を低下させないようにする。【手段】  試料（２）の測定対象面をＸＹ面とし、入射光軸の方向をα、反射光軸の方向をβとしたときに、試料（２）に直線偏光の入射光束（ＢＬ）を照射させる照射光学系（３）は、測定領域に応じたスポット形状の平行光束を照射する光源装置（５）と、その平行光束を所定角度で反射させることにより直線偏光の入射光束を抽出する反射型偏光子（６）を備え、反射光束（ＢＲ）に含まれるＰ偏光又はＳ偏光の反射光強度を測定する測定光学系（４）は、反射光束（ＢＲ）をＹβ面又はＸβ面と直交する反射面により所定角度で反射させることによってＰ偏光又はＳ偏光を抽出する反射型検光子（８）と、その偏光の光強度を検出する１次元又は２次元の光センサ（１０）を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に直線偏光の入射光束を照射させる照射光学系と、試料から反射される反射光束に含まれる偏光成分のうちＰ偏光又はＳ偏光の反射光強度を測定する測定光学系とを備えた光学異方性パラメータ測定装置であって、
前記試料の測定対象面をＸＹ面とし、入射光軸とＸＹ面の交点を原点とするＸＹＺ座標上で、入射光軸及び反射光軸が通る面をＸＺ面とし、原点に向かう入射光軸の方向をα、原点から反射された反射光軸の方向をβとしたときに、
照射光学系は、試料の測定領域の形状に応じたスポット形状の平行光束を照射する光源装置と、その平行光束を所定角度で反射させることによりα方向に沿って試料へ向かう直線偏光の入射光束を抽出する反射型偏光子を備え、
測定光学系は、試料からβ方向に進行する反射光束をＹβ面又はＸβ面と直交する反射面により所定角度で反射させることによって試料で反射されたＰ偏光又はＳ偏光を抽出する反射型検光子と、その偏光成分の光強度を検出する１次元又は２次元の光センサを備えたことを特徴とする光学異方性パラメータ測定装置。
【請求項２】
前記照射光学系の反射型偏光子は、光源装置から照射された平行光束をＸα面又はＹα面と直交する反射面により所定角度で反射させることによって、前記試料へ向かうＰ偏光又はＳ偏光の入射光束を抽出する向きに配され、
前記測定光学系の反射型検光子は、試料からβ方向に進行する反射光束をＹβ面又はＸβ面と直交する反射面により所定角度で反射させることによって入射光束の偏光方向に直交するＳ偏光又はＰ偏光を抽出する向きに配された請求項１記載の光学異方性パラメータ測定装置。
【請求項３】
前記照射光学系の反射型偏光子は、光源装置から照射された平行光束を所定角度で反射させることによって得られたＳ偏光を、前記試料に対してＰ偏光及びＳ偏光以外の直線偏光として入射させる向きに配され、
前記測定光学系は、反射検光子が、試料からβ方向に進行する反射光束をＹβ面又はＸβ面と直交する反射面により所定角度で反射させることによって入射光束の偏光方向に直交するＳ偏光又はＰ偏光を抽出する向きに配され、試料と反射検光子の間に波長板が回転可能に配された請求項１記載の光学異方性パラメータ測定装置。
【請求項４】
前記反射型偏光子が、試料の測定対象となる部分全体に入射光束となる平行光を照射し得る大きさに形成され、前記反射型検光子が、その反射光束全体を光センサに向って反射し得る大きさに形成された請求項１記載の光学異方性パラメータ測定装置。
【請求項５】
前記光センサが、多数の受光素子を１次元又は二次元のマトリクス状に配列して成る請求項１記載の光学異方性パラメータ測定装置。
【請求項６】
前記測定光学系の反射型検光子と光センサとの間に、検光子で反射された反射光束を光センサの大きさに応じて縮径又は縮幅する結像レンズが配されて成る請求項１記載の光学異方性パラメータ測定装置。
【請求項７】
前記反射型偏光子及び反射型検光子の一方又は双方が平面リフレクタで形成され、該平面リフレクタに対してＳ偏光となる光のみが反射されるように、前記平面リフレクタへの入射角度がブリュースター角に選定されて成る請求項１記載の光学異方性パラメータ測定装置。
【請求項８】
前記平面リフレクタとして、表面に対して裏面が傾斜された楔形透明体を用い、その表面を反射面とした請求項７記載の光学異方性パラメータ測定装置。
【請求項９】
前記反射型偏光子及び反射型検光子の一方又は双方が、底面に金属薄膜を形成したプリズムで成り、前記入射光束又は反射光束がプリズム内を通り前記底面で反射する位置に配されると共に、該プリズム底面に対してＳ偏光となる光のみが反射されるように、プリズム底面に入射する光の入射角度が共鳴角に選定されて成る請求項１記載の光学異方性パラメータ測定装置。
【請求項１０】
前記プリズムが、半円形プリズム又は三角プリズムでなる請求項９記載の光学異方性パラメータ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光を用いて物質の膜厚、屈折率、屈折率異方性などの光学的パラメータを測定する際に用いる光学異方性パラメータ測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子デバイスの表面に形成される薄膜の膜厚、屈折率、屈折率異方性等の光学的パラメータは、そのデバイスの電気特性及び光学特性に影響を及ぼし、その均一性は電子デバイスの品質の良否を決定する。
したがって、品質向上には、これらパラメータの分布特性を測定し検査することが不可欠である。
【０００３】
これらの光学的パラメータを薄膜の膜厚や屈折率を非接触／非破壊に測定し検査する方法として、試料の測定点に照射した光が、試料で反射しあるいは試料を透過したときに、その偏光状態が変化する現象を利用して測定を行う光学異方性パラメータ測定装置が知られている。
【特許文献１】特許第３４２５９２３号公報
【０００４】
しかし、この場合は、一度の測定で試料上の１点における反射光強度しか測定できないため、試料の測定しようとする領域全体の反射光強度を高効率で測定することのできる光学異方性パラメータ測定装置が提案されている。
【特許文献２】特開平７−７２０１３号公報
【０００５】
図１０はこのような従来の光学異方性パラメータ測定装置５１を示し、薄膜試料５２にＰ偏光又はＳ偏光の入射光束を照射させる照射光学系５３と、薄膜試料５２から反射される反射光束に含まれる偏光成分のうち、前記入射光束の偏光方向に直交するＳ偏光又はＰ偏光の反射光強度分布を検出する測定光学系５４とを備えている。
そして、照射光学系５３は、入射光束の光軸Ｌに沿ってレーザ光源５５、偏光子５６、薄膜試料５２の測定領域５２ａの形状に応じて入射光束を拡径又は拡幅して平行光束とするビームエキスパンダ５７が配されている。
そして、測定光学系５４には、反射光束の光軸ＡＲに沿って、検光子５８と二次元受光素子から成る光センサ５９が配されている。
【０００６】
これによれば、照射光学系５３のレーザ光源５５から照射されたレーザ光が偏光子５６でＰ偏光又はＳ偏光に偏光化された後、ビームエキスパンダ５７によって所定の照射径の光束に拡径されて薄膜試料５２の測定領域５２ａ全域に一度に照射される。
そして、測定領域５２ａ全域から反射された反射光束が検光子５８を通り、その偏光成分のうち、入射光束の偏光方向に直交するＳ偏光又はＰ偏光が透過されて、その反射光強度分布が光センサ５９の各受光素子により測定されることとなる。
したがって、受光素子数に応じた数の測定点からの反射光強度を一度に測定することができるというメリットがある。
【０００７】
しかしながら、この場合、光を偏光化した後に、ビームエキスパンダ５７となるレンズにより光を屈折させてその光束を大きく拡径しているため、レンズで入射光束の偏光状態が変化してしまい測定精度が低下するという問題があった。
また、ビームエキスパンダ５７と偏光子５６の順序を逆にして、拡径された光束を偏光化しようとしても、このような光学測定に用いる偏光子５６は、測定精度向上のため、一般には、天然の方解石を材料とするグラントムソンプリズムのように消光比の高いものが用いられるが、１辺が２０ｍｍ以上の大きさのグラントムソンプリズムを作製するための材料を入手することは困難であり、したがって照射径が２０ｍｍ以上の光束で測定を行うことは実質的に不可能であった。
同様に、大径の反射光束の偏光状態を検光子５９で検出しようとすると、消光比の高い大径の検光子が必要になることから、測定が実質的に不可能であり、レンズで光束を縮径させた後に検光子５９を透過させようとすると、検光子５９を透過する前にレンズを透過した時点で偏光状態が変化するので、やはり測定精度が低下するという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明は、偏光を利用して膜厚、屈折率及び屈折率異方性などの光学的パラメータを測定する際に、照射径の大きな光を用いて測定精度を低下させることなく測定できるようにすることを技術的課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題を解決するために、本発明は、前記試料の測定対象面をＸＹ面とし、入射光軸とＸＹ面の交点を原点とするＸＹＺ座標上で、入射光軸及び反射光軸が通る面をＸＺ面とし、原点に向かう入射光軸の方向をα、原点から反射された反射光軸の方向をβとしたときに、
照射光学系は、試料の測定領域の形状に応じたスポット形状の平行光束を照射する光源装置と、その平行光束を所定角度で反射させることによりα方向に沿って試料へ向かう直線偏光の入射光束を抽出する反射型偏光子を備え、
測定光学系は、試料からβ方向に進行する反射光束をＹβ面又はＸβ面と直交する反射面により所定角度で反射させることによって試料で反射されたＰ偏光又はＳ偏光を抽出する反射型検光子と、その偏光成分の光強度を検出する１次元又は２次元の光センサを備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明において、反射型偏光子を及び反射型検光子として平面リフレクタを使用し、夫々の反射面がＸα面及びＹβ面と直交するように配し、光源装置からＸα面内に沿って平行光束を照射すると、Ｘα面と直交する平面リフレクタに対しブリュースター角で入射され、その反射光がα方向に沿って試料に向う入射光束となる。
このとき、入射光束は、平面リフレクタの反射面に対してＳ偏光成分のみを含む光となり、その偏光の振動方向はＸα面に直交するＹα面方向となっているから、試料に対してもＳ偏光のまま入射される。
【００１１】
次いで、試料から反射された反射光束はβ方向に進行し、Ｙβ面と直交する平面リフレクタに対しブリュースター角で入射され、その反射光がＹβ面に沿って進行する。
このとき、試料に対してＳ偏光となる反射光束の偏光成分はＹβ面方向に振動するので平面リフレクタに対してはＰ偏光として入射され、試料に対してＰ偏光となる反射光束の偏光成分はＸβ面方向に振動するので平面リフレクタに対してはＳ偏光として入射される。
そして、反射光束は平面リフレクタに対してブリュースター角で入射されるので、その反射面に対してＳ偏光の光、即ち、試料に対してＰ偏光となる光のみが反射されて光センサに達する。
したがって、試料にＳ偏光が入射され、その反射光から入射光の偏光方向と直交するＰ偏光のみを検出することができる。
【００１２】
このように、偏光子及び検光子として、透過型偏光板ではなく、反射型偏光子及び反射型検光子が用いられているので、入射光束及び反射光束がどんなに大径でも試料にＳ偏光を照射させることができ、試料からの反射光束がどんなに大径でもこれに直交するＰ偏光を確実に取り出すことができる。
【００１３】
また、各平面リフレクタの反射面がＹα面及びＸβ面と直交するように配し、光源装置からＹα面内に沿って平行光束を照射すれば、Ｙα面と直交する平面リフレクタに対しブリュースター角で入射されて、その反射光がα方向に沿って試料に向う入射光束となる。
このとき、平面リフレクタの反射光は、その反射面に対してＳ偏光成分のみを含む光となり、そのＳ偏光はＹα面に直交するＸα面に振動するので、試料に対してＰ偏光となって入射される。
【００１４】
次いで、試料から反射された反射光束はβ方向に進行し、Ｘβ面と直交する平面リフレクタに対してブリュースター角で入射され、その反射光がＸβ面に沿って進行する。
このとき、試料に対してＳ偏光となる反射光束の偏光成分はＹβ面方向に振動するので平面リフレクタに対してもＳ偏光として入射され、試料に対してＰ偏光となる反射光束の偏光成分はＸβ面方向に振動するので平面リフレクタに対してもＰ偏光として入射される。
そして、反射光束は平面リフレクタに対してブリュースター角で入射されるので、その偏光成分のうち反射面に対してＳ偏光の光、即ち、試料に対してＳ偏光の光のみが反射されて光センサに達する。
したがって、試料にＰ偏光が入射され、その反射光から入射光の偏光方向と直交するＳ偏光のみを検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係る光学異方性パラメータ測定装置は、試料に直線偏光の入射光束を照射させる照射光学系と、試料から反射される反射光束に含まれる偏光成分のうちＰ偏光又はＳ偏光の反射光強度を測定する測定光学系とを備え、
前記試料の測定対象面をＸＹ面とし、入射光軸とＸＹ面の交点を原点とするＸＹＺ座標上で、入射光軸及び反射光軸が通る面をＸＺ面とし、原点に向かう入射光軸の方向をα、原点から反射された反射光軸の方向をβとしたときに、
照射光学系は、試料の測定領域の形状に応じたスポット形状の平行光束を照射する光源装置と、その平行光束を所定角度で反射させることによりα方向に沿って試料へ向かう直線偏光の入射光束を抽出する反射型偏光子を備え、
測定光学系は、試料からβ方向に進行する反射光束をＹβ面又はＸβ面と直交する反射面により所定角度で反射させることによって試料で反射されたＰ偏光又はＳ偏光を抽出する反射型検光子と、その偏光成分の光強度を検出する１次元又は２次元の光センサを備えた。
【００１６】
図１は本発明の光学異方性パラメータ測定装置の一例を示す説明図、図２は測定方法を示す説明図、図３は原点上の測定点における光強度変化を示すグラフ、図４は光強度の測定結果を示すグラフ、図５及び図６は他の実施形態を示す説明図、図７はその測定方法を示す説明図、図８は他の実施形態を示す説明図、図９はその測定結果を示す説明図、
図１０は従来装置を示す説明図である。
【実施例１】
【００１７】
図１に示す光学異方性パラメータ測定装置１は、ステージ１１に配された薄膜試料２にＳ偏光の入射光束ＢＬを照射させる照射光学系３と、その試料２から反射される反射光束ＢＲに含まれるＰ偏光の反射光強度分布を検出する測定光学系４とを備えている。
ここで、位置関係を定義するために、試料２の測定対象面をＸＹ面とし、入射光軸ＡＬとＸＹ面の交点を原点Ｐ０とするＸＹＺ座標上で、入射光軸ＡＬ及び反射光軸ＡＲが通る面をＸＺ面とし、原点Ｐ０に向かう入射光軸の方向をα、原点Ｐ０から反射された反射光軸ＡＲの方向をβとする。
【００１８】
照射光学系３は、試料２の測定領域の形状に応じたスポット形状の平行光束を照射光束ＢＳとしてＸα面内を進行する光軸ＡＳに沿って照射する光源装置５と、その照射光束ＢＳをＸα面と直交する反射面によりブリュースター角θＢで反射させることによって、α方向に沿って試料２へ向かうＳ偏光を入射光束ＢＬとして抽出する入射側平面リフレクタ（反射型偏光子）６とを備えている。
【００１９】
光源装置５は、光軸がＸα面内に沿って進行する照射光を照射するレーザ光源５ａと、その照射光を試料２の測定領域の形状に応じて拡径又は拡幅して平行光束とするビームエキスパンダレンズ５ｂを備えている。
【００２０】
平面リフレクタ６はその反射面がＸα面と直交して配されると共に、Ｘα面上においてブリュースター角θＢの２倍の角度で交差された照射光軸ＡＳ及び入射光軸ＡＬの交差角の二等分線に直交する向きに配されている。
【００２１】
また、照射光束ＢＳは平面リフレクタ６に対しブリュースター角θＢで入射されるので、その反射面に対してＰ偏光となる光（Ｘα面方向に振動する光）は反射されず、Ｓ偏光となる光（Ｙα面方向に振動する光）のみが反射され、これがα方向に沿って試料２に向かう入射光束ＢＬとなり、したがって、試料２の測定対象面に対してＳ偏光となって入射される。
【００２２】
入射光束ＢＬは試料２の測定対象面で反射されてβ方向に進行する反射光束ＢＲとなる。反射光束ＢＲには、試料２の物性により反射光束ＢＲは一般にＰ偏光成分（Ｘβ面方向に振動する光）とＳ偏光成分（Ｙβ面方向に振動する光）が含まれるので、測定光学系４により、反射光束ＢＲに含まれるＰ偏光成分を抽出し、その光強度を検出する。
【００２３】
測定光学系４は、その反射光束ＢＲをＹβ面と直交する反射面によりブリュースター角θＢで反射させることによって、入射光束ＢＬの偏光方向（本例ではＳ偏光）に直交するＰ偏光を測定光束ＢＭとして抽出する反射側平面リフレクタ（反射型検光子）８と、その測定光束ＢＭを結像させる結像レンズ９と、その偏光成分の強度分布を検出する光センサ１０とを備えている。
このとき、平面リフレクタ８はその反射面がＹβ面と直交して配されると共に、Ｙβ面上においてブリュースター角θＢの２倍の角度で交差された反射光軸ＡＲ及び測定光軸ＡＭの交差角の二等分線に直交する向きに配されている。
【００２４】
ここで、試料２から反射された反射光束ＢＲは平面リフレクタ８に対してブリュースター角θＢで入射されるので、その反射面に対してＰ偏光となる光（Ｙβ面方向に振動する光）は反射されず、Ｓ偏光となる光（Ｘβ面方向に振動する光）のみが反射され、これが光センサ１０に向かう測定光束ＢＭとなる。
このとき、反射光束ＢＲのＳ偏光はＹβ面方向に振動するので平面リフレクタ８に対してＰ偏光として入射され、反射光束ＢＲのＰ偏光はＸβ面方向に振動するので平面リフレクタ８に対してＳ偏光として入射される。
したがって、平面リフレクタ８では、その反射面に対してＳ偏光となる光、即ち、試料２の測定対象面に対してＰ偏光となる光のみが反射されて測定光束ＢＭとなり、その測定光束ＢＭが光センサ１０に達する。
【００２５】
これにより、試料２に入射光束ＢＬとしてＳ偏光（Ｙα面方向に振動する光）のみを入射させ、その反射光束ＢＲから入射光束ＢＬの偏光成分に直交するＰ偏光（Ｘβ面方向に振動する光）のみを抽出し、その光強度を光センサ１０で検出することができる。
また、照射光学系３の偏光子及び測定光学系４の検光子として、透過型ではなく反射型偏光子及び反射型検光子が用いられているので、入射光束ＢＬ及び反射光束ＢＲがどんなに大径でも試料２にＳ偏光を照射させることができ、試料２からの反射光束がどんなに大径でもこれに直交するＰ偏光を確実に取り出すことができる。
【００２６】
光センサ１０としては、画素に相当する受光素子を一次元又は二次元にＣＣＤ撮像素子やＣＭＯＳ撮像素子が用いられる。
なお、ステージ１１は、ＸＹＺ方向に夫々位置調整可能に配されると共に、Ｘ軸及びＹ軸回りにあおり調整可能に配され、さらにＺ軸回りにステップモータ（図示せず）で所定角度ずつ回転可能に配されている。
【００２７】
以上が本発明の一例であって次にその作用について説明する。
光源装置５は、レーザ光源５ａとして、半導体励起ＹＡＧ−ＳＨＧレーザ（波長５３２ｎｍ、出力１５０ｍＷ）を用い、レーザ光源５からの光をシリンドリカルレンズで構成された一次元ビームエキスパンダレンズ５ｂにより、Ｙ軸と平行な長さ３０ｍｍのライン状のビームスポットを有する光束を形成した。
入射側平面リフレクタ６及び反射側平面リフレクタ８として、縦×横＝４０×５０（ｍｍ）で、表面に対して裏面が傾斜された楔形ガラス体を用い、その表面を反射面に形成した。
【００２８】
α軸及びβ軸は、試料２への入射角度及び反射角度（Ｚ軸となす角）が５０°となるように、照射光学系３及び測定光学系４を配し、光センサ１０として一次元ＣＣＤ撮像素子を用い、照射光学系３から照射されたライン状のビームを受光できる向きに配した。
試料２としては、長手方向Ｌ×幅方向Ｗ×厚さ方向Ｔ＝５０×３０×２（ｍｍ）のＬｉＮｂＯ３の片面をその一辺に沿って長手方向に沿って光学研磨し、面内の光学軸方向と長手方向Ｌを一致させ、その長手方向をＹ軸方向に向けてステージ１１上に固定した（図２（ａ）参照）。
【００２９】
試料２のあおりを調整した後、Ｓ偏光の入射光束ＢＬを照射して試料２を回転させながら、Ｐ偏光の反射光束ＢＲの光強度を測定する。
このとき、試料２を回転させても原点Ｐ０上の測定点の位置は変化せず、その光強度は、光センサ１０を構成するＣＣＤ撮像素子の画素のうち、測定光束ＢＭの光軸ＡＭ上に位置する検出部で検出される。
【００３０】
図３は、そのときのステージ１１の回転角と測定光束ＢＭの光強度の測定値を示すグラフである。
グラフでは、二つの最大ピークΛ１及びΛ２と、二つの中間ピークΛ３及びΛ４が存在し、各ピークΛ１〜Λ４の間に光強度が０となる極小ポイントＶ１〜Ｖ４値角度が存在する。
二つの最大ピークΛ１及びΛ２の間の極小ポイントＶ１と、二つの中間ピークΛ３及びΛ４の間の極小ポイントＶ３は原点Ｐ０に位置する試料２上の測定点の光学軸方向を示し、したがってその差は１８０°となる。
本例では、面内の光学軸方向が長手方向Ｌに一致するため、ステージが９０°回転して長手方向がＸ軸と平行に成ったところで、極小ポイントＶ１、Ｖ３は９０°と２７０°の位置に観察されている。
これより、試料２の光学軸の方向が長手方向に一致していることがわかる。
【００３１】
次いで、試料２の長手方向ＬをＸ軸と平行になるようにステージ１１を回動させて位置決めし、照射光学系３から照射されたライン状のビームを試料２の幅方向Ｗと平行に入射させて、ステージ１１をＸ軸方向に移動させることにより、試料２上の長手方向一端側から他端側に光ビームを掃引し、光センサ１０の各画素で光強度を検出する（図２（ｂ）参照）。
【００３２】
このとき、試料２上の各点における光学軸が全て長手方向Ｌを向いていれば、光強度は０に維持されるので、光強度が０でないところが、光学軸がずれている部分であると推測できる。
したがって、図４に示すように、光強度を高さ方向に示す３次元グラフを描けば、全体の分布より、光学軸の方向が均一であるか否かを極めて短時間で評価することができる。
例えば、図４（ａ）に示すように長手方向Ｌに長手方向Ｌに沿って光強度の高い部分が観察される場合と、図４（ｂ）に示すように幅方向Ｗと平行に光強度の高い部分が観察される場合によって、結晶成長の引き上げ方向に依存した欠陥、すなわち結晶成長の際に生じた欠陥と、研磨などの加工に起因した欠陥の判別に利用することができる。
【実施例２】
【００３３】
図５は本発明の他の実施形態を示す。実施例１では薄膜試料２に対して入射光束ＢＬとしてＳ偏光を入射させ、反射光束ＢＲのＰ偏光の光強度を測定したが、本例では、入射光束ＢＬとしてＰ偏光を入射させ、反射光束ＢＲのＳ偏光の光強度を測定するようにした。なお、図１と共通する部分については同一符号を付し詳細説明を省略する。
【００３４】
本例の光学異方性パラメータ測定装置２１の照射光学系３は、試料２の測定領域の形状に応じたスポット形状の平行光束を照射光束ＢＳとしてＹα面内を進行する光軸ＡＳに沿って照射する光源装置５と、その照射光束ＢＳをＹα面と直交する反射面によりブリュースター角θＢで反射させることによって、α方向に沿って試料２へ向かうＳ偏光を入射光束ＢＬとして抽出する入射側平面リフレクタ（反射型偏光子）６とを備えている。
【００３５】
平面リフレクタ６はその反射面がＹα面と直交しているので、光源装置５から照射され、平面リフレクタ６で反射されて試料２に至る光の光軸は、すべてＹα面上を通ることとなる。
そして、光源装置５からの照射光軸ＡＳと入射光軸ＡＬは、Ｙα面上においてブリュースター角θＢの２倍の角度で交差し、その二等分線に直交するように平面リフレクタ６が配されている。
【００３６】
また、照射光束ＢＳは平面リフレクタ６に対しブリュースター角θＢで入射されるので、その反射面に対してＰ偏光となる光（Ｙα面方向に振動する光）は反射されず、Ｓ偏光となる光（Ｘα面方向に振動する光）のみが反射され、これがα方向に沿って試料２に向かう入射光束ＢＬとなり、したがって、試料２の測定対象面に対してＰ偏光となって入射される。
【００３７】
測定光学系４は、その反射光束ＢＲをＸβ面と直交する反射面によりブリュースター角θＢで反射させることによって、入射光束ＢＬの偏光方向（本例ではＰ偏光）に直交するＳ偏光を測定光束ＢＭとして抽出する反射側平面リフレクタ（反射型検光子）８と、結像レンズ９と、光センサ１０とを備えている。
【００３８】
このとき、平面リフレクタ８はＸβ面と直交しているので、試料２から平面リフレクタ８及び結像レンズ９を通り、光センサ１０に至る光の光軸は、すべてＸβ面上を通ることとなる。
そして、試料２で反射された反射光軸ＡＲと、平面リフレクタ８から光センサ１０に至る測定光軸ＡＭは、Ｘβ面上においてブリュースター角θＢの２倍の角度で交差し、その二等分線に直交するように平面リフレクタ８が配されている。
【００３９】
ここで、試料２から反射された反射光束ＢＲは平面リフレクタ８に対してブリュースター角θＢで入射されるので、その反射面に対してＰ偏光となる光（Ｘβ面方向に振動する光）は反射されず、Ｓ偏光となる光（Ｙβ面方向に振動する光）のみが反射され、これが光センサ１０に向かう測定光束ＢＭとなる。
このとき、反射光束ＢＲのＳ偏光はＹβ面方向に振動するので平面リフレクタ８に対してもＳ偏光として入射され、反射光束ＢＲのＰ偏光はＸβ面方向に振動するので平面リフレクタ８に対してもＰ偏光として入射される。
したがって、平面リフレクタ８では、その反射面に対してＳ偏光となる光、即ち、試料２の測定対象面に対してＳ偏光となる光のみが反射されて測定光束ＢＭとなり、その測定光束ＢＭが光センサ１０に達する。
【００４０】
これにより、試料２に入射光束ＢＬとしてＰ偏光（Ｘα面方向に振動する光）のみを入射させ、その反射光束ＢＲから入射光束ＢＬの偏光成分に直交するＳ偏光（Ｙβ面方向に振動する光）のみを抽出し、その光強度を光センサ１０で検出することができる。
【実施例３】
【００４１】
図６は本発明に係る光学異方性パラメータ測定装置の他の実施形態を示す。なお、図１と共通する部分については同一符号を付し詳細説明を省略する。
本例の光学異方性パラメータ測定装置３１の照射光学系３３は、試料２の測定領域の形状に応じたスポット形状の平行光束を照射光束ＢＳとしてＸα面内を進行する光軸ＡＳに沿って照射する光源装置３５と、その照射光束ＢＳをＸα面と直交する反射面により共鳴角θＲで反射させることによって、α方向に沿って試料２へ向かうＳ偏光を入射光束ＢＬとして抽出する入射側プリズム（反射型偏光子）３６とを備えている。
【００４２】
光源装置３５は、照射光束ＢＬをキセノンランプ３５ａからプリズム３６に至る光軸ＢＳ上に、干渉フィルタ（透過波長６３２.８ｎｍ）３５ｂと、照射光束ＢＬを平行光とするコリメータ３５ｃが配されている。
プリズム３６は、断面が半円形又は三角形に形成され、反射面３６ａとなる底面に金を厚さ５０ｎｍに蒸着させた金属薄膜が形成されている。
そして、照射光軸ＡＳ及び入射光軸ＡＬが、Ｘα面上において共鳴角θＲの２倍の角度で交差され、プリズム３６は、照射光軸ＡＳがプリズム３６内を通過して反射面３６ａに至る向きで、且つ、照射光軸ＡＳ及び入射光軸ＡＬの交差角の二等分線に対して直交するように配されている。
【００４３】
これにより、照射光束ＢＳは、プリズム３６内を通って反射面３６ａに対し共鳴角θＲで入射されるので、その反射面３６ａに対してＰ偏光となる光（Ｘα面方向に振動する光）は反射されず、Ｓ偏光となる光（Ｙα面方向に振動する光）のみが反射され、これが再びプリズム３６内を通ってα方向に沿って試料２に向かう入射光束ＢＬとなり、したがって、入射光束ＢＬは試料２の測定対象面に対してＳ偏光となって入射される。
【００４４】
入射光束ＢＬは試料２の測定対象面で反射されてβ方向に進行する反射光束ＢＲとなる。反射光束ＢＲには、試料２の物性により反射光束ＢＲは一般にＰ偏光成分（Ｘβ面方向に振動する光）とＳ偏光成分（Ｙβ面方向に振動する光）が含まれるので、測定光学系３４により、反射光束ＢＲに含まれるＰ偏光成分を抽出し、その光強度を検出する。
【００４５】
測定光学系３４は、その反射光束ＢＲをＹβ面と直交する反射面により共鳴角θＲで反射させることによって、入射光束ＢＬの偏光方向（本例ではＳ偏光）に直交するＰ偏光を測定光束ＢＭとして抽出する反射側プリズム（反射型検光子）３８と、結像レンズ９と、その強度分布を検出する光センサ１０とを備えている。
反射側プリズム３８は、入射側プリズム３６と同様、断面が半円形又は三角形に形成され、反射面３８ａとなる底面には金を厚さ５０ｎｍに蒸着させた金属薄膜が形成されている。
そして、反射光軸ＡＲ及び測定光軸ＡＭが、Ｙβ面上において共鳴角θＲの２倍の角度で交差され、プリズム３８は、反射光軸ＡＲがプリズム３８内を通過して反射面３８ａに至る向きで、反射光軸ＡＲ及び測定光軸ＡＭの交差角の二等分線に対して直交するように配されている。
【００４６】
これにより、反射光束ＢＲは、反射面３８ａに対し共鳴角θＲで入射されるので、その反射面３８ａに対してＰ偏光となる光（Ｘα面方向に振動する光）は反射されず、Ｓ偏光となる光（Ｙα面方向に振動する光）のみが反射され、これがプリズム３８内を通って光センサ１０に向かう測定光束ＢＭとなる。
このとき、反射光束ＢＲのＳ偏光はＹβ面方向に振動するので反射面３８ａに対してＰ偏光として入射され、反射光束ＢＲのＰ偏光はＸβ面方向に振動するので反射面３８ａに対してＳ偏光として入射される。
【００４７】
したがって、プリズム３８では、その反射面３８ａに対してＳ偏光（Ｘβ面方向に振動する光）、即ち、試料２の測定対象面に対してＰ偏光となる光のみが反射されて測定光束ＢＭとなり、その測定光束ＢＭが光センサ１０に達する。
このように本例によれば、試料２に入射光束ＢＬとしてＳ偏光（Ｙα面方向に振動する光）のみを入射させ、その反射光束ＢＲから入射光束ＢＬの偏光成分に直交するＰ偏光（Ｘβ面方向に振動する光）のみを抽出し、その光強度を光センサ１０で検出することができる。
【００４８】
本例の光学異方性パラメータ測定装置３１を用いて、光源装置３５により直径約３０ｍｍの照射光束ＢＳを形成し、共鳴角θＲ＝４５°となるように、照射光学形３３及び測定光学系３４を調整した。
これにより、配向膜３に照射された１０ｍｍ２の測定エリアＡに含まれる複数の測定点Ｍijからの反射光強度を同時に測定することができる。
【００４９】
実施例１と同様、薄膜試料２の光学軸の方向をＹ軸に一致させてステージ１１にセットした。
試料２のあおりを調整した後、Ｓ偏光の入射光束ＢＬを照射して試料２を回転させながら、反射光束ＢＲに含まれるＰ偏光の光強度を測定する。
このとき、試料２を回転させても原点Ｐ０上の測定点の位置は変化せず、その光強度は、光センサ１０を構成するＣＣＤ撮像素子の画素のうち、測定光束ＢＭの光軸ＡＭ上に位置する検出部で検出される。
【００５０】
図７（ａ）は回転前の測定エリアＡ内の測定点Ｍij（ｉ，ｊ＝１〜１０）を示す。
図７（ｂ）はステージ１１の回転に伴い回転した画像を示すもので，各測定点Ｍijを極座標Ｍij＝（ｒｎ，φｍ）で表わせば、回転テーブル６が角度γだけ回転したときのＭijの位置はＭij＝（ｒｎ，φｍ＋γ）で表わされる。
したがって、Ｍij＝（ｒｎ，φｍ＋γ）に対応するＣＣＤカメラ３９の画素領域で反射光強度を測定すれば、ステージ１１を一回転させるだけで、個々の測定点について、図５に示すような回転角−光強度線図が同時に測定できる。
【００５１】
このグラフより、合計１００ポイントの各測定点Ｍijごとに、従来公知の計算手法により正確な光学軸方向と、極角方向の分布を求めることができる。
さらに、この結果に基づき、光学軸の方向と、それに直交する方向の２方向で、従来のエリプソメータを用いて、常光誘電率ε０、異常光誘電率εｅ、異方層の膜厚ｔを測定すれば、これらの値を極めて簡単に算出することができる。
【実施例４】
【００５２】
図８は本発明に係る光学異方性パラメータ測定装置をエリプソメータとして使用する場合の実施形態を示す。なお、図１と共通する部分については同一符号を付し詳細説明を省略する。
【００５３】
本例の光学異方性パラメータ測定装置４１の照射光学系４３は、試料２の測定領域の形状に応じたスポット形状の平行光束を照射光束ＢＳとしてＸα面内を進行する光軸ＡＳに沿って照射する光源装置３５と、その照射光束ＢＳを共鳴角θＲで反射させることによってＳ偏光のみを取り出し、α方向に沿って試料２に対してＰ偏光及びＳ偏光以外の直線偏光（本例では約４５°の直線偏光）を入射光束ＢＬとして抽出する入射側プリズム（反射型偏光子）３６とを備えている。
【００５４】
この照射光学系４３は、実施例３の照射光学系３３をα軸を中心としてに反時計回りに４５°回転させた位置関係とした以外、個々の構成は照射光学系３３と同様である。
これにより、照射光束ＢＳは、プリズム３６内を通って反射面３６ａに対し共鳴角θＲで入射されるので、その反射面３６ａに対してＰ偏光となる光（Ｘα面方向に振動する光）は反射されず、Ｓ偏光となる光（Ｙα面方向に振動する光）のみが反射される。
そして、その反射光が再びプリズム３６内を通り、α方向に沿って試料２に向かう入射光束ＢＬとなり、Ｘα面に対して約４５°の振動方向を有する直線偏光となって入射される。
これにより、試料２には所定の強度のＰ偏光及びＳ偏光が照射されることになる。
【００５５】
測定光学系４４は、反射光束ＢＲに含まれるＰ偏光とＳ偏光の位相を９０°シフトする１／４波長板４７が光軸ＡＲ回りに回転可能に配されると共に、反射光束ＢＲをＹβ面と直交する反射面により共鳴角θＲで反射させることによって、反射光束ＢＲに含まれるＳ偏光を測定光束ＢＭとして抽出する反射側プリズム（反射型検光子）３８と、その測定光束ＢＭを結像させる結像レンズ９と、その偏光成分の強度分布を検出する光センサ１０とを備えている。
【００５６】
ここで、試料２から反射された反射光束ＢＲは、プリズム３８の反射面３８ａに対して共鳴角θＲで入射されるので、その底面３８ａに対してＰ偏光となる光（Ｘβ面方向に振動する光）は反射されず、Ｓ偏光となる光（Ｙβ面方向に振動する光）のみが反射され、これが光センサ１０に向かう測定光束ＢＭとなる
このとき、反射光束ＢＲのＳ偏光はＹβ面方向に振動するのでプリズム３８の底面３８ａに対してＳ偏光として入射され、反射光束ＢＲのＰ偏光はＸβ面方向に振動するので底面３８ａに対してＰ偏光として入射される。
したがって、プリズム３８では、その反射面３８ａに対してＳ偏光となる光、即ち、試料２の測定対象面に対してＰ偏光となる光のみが反射されて測定光束ＢＭとなり、その測定光束ＢＭが光センサ１０に達する。
【００５７】
これにより、試料２に入射光束ＢＬとして４５°の直線偏光（Ｘα面方向に振動する光）を入射させ、その反射光束ＢＲを１／４波長板４７を回転させたときの入射光束ＢＬの偏光成分に直交するＳ偏光（Ｙβ面方向に振動する光）のみを抽出し、その光強度を光センサ１０で検出することができる。
【００５８】
光源装置３５により直径約３０ｍｍの照射光束ＢＳを形成し、共鳴角θＲ＝４５°、試料２への入射角度＝５０°となるように、照射光学形４３及び測定光学系４４を調整した。
試料２は、Ｓｉウエハーを熱酸化処理してＳｉＯ２膜を形成し、ＨＦ−ＮＨ３水溶液によりエッチングを行った。
市販のエリプソメータで測定したところ、平均膜厚＝５０.２ｎｍ、屈折率＝１.４６であった。
【００５９】
図９は、光学異方性パラメータ測定装置４１により測定された回転角θ−光強度分布Ｉを示すグラフである。
回転位相子法によれば、式（１）の定数Ａ、Ｂ、Ｃの値を−１〜＋１の範囲で変化させてフィッティングを行い、最適な定数Ａ、Ｂ、Ｃの値を式（２）〜（４）に代入してψ，δを求める。
Ｉ＝Ｉ０［２＋Ａ−２Ｂsin(２θ)＋Ａcos(４θ)＋Ｃsin(４θ)］………（１）    
Ａ＝cos（２ψ）…………………………………………………………………（２） 
Ｂ＝sin（２ψ）sinδ…………………………………………………………（３）
Ｃ＝sin（２ψ）cosδ…………………………………………………………（４）
【００６０】
なお、反射率比は、式（５）で示すように、屈折率ｎ及び膜厚の関数であらわされると同時に、振幅反射率比tanΨ及び位相差Δの関数で表される。
Ｒｐ（ｎ,ｄ）／Ｒｓ（ｎ,ｄ）＝（Ｅｐｏｕｔ／Ｅｓｏｕｔ）／（Ｅｐｉｎ／Ｅｓｉｎ）
＝tanΨexp（ｉΔ）……………………………（５）
また、本例では４５°の直線偏光を照射しているので、Ｅｐｉｎ／Ｅｓｉｎ＝１であり、式（１）〜（４）で求めたψ、δを用いて（６）式が成り立つ。
Ｒｐ（ｎ,ｄ）／Ｒｓ（ｎ,ｄ）＝tanψexp（ｉδ）……………………………（６）
【００６１】
一方、式（１）〜（４）で求めたψ、δの値を、膜厚ｄ、屈折率ｎを変数とする従来公知の関係式に代入して、屈折率ｎを適当な値に設定し、膜厚ｄを算出する。
得られた膜厚ｄと屈折率ｎに基づいて、式（６）によりψ及びδを算出した値をψｃ及びδｃとしたときに、これらの値と式（１）〜（４）で求めたψ及びδが一致するまで、コンピュータで屈折率ｎを順次変えて最適値を探すことにより、膜厚ｄと屈折率ｎを求めることができる。
【００６２】
一の測定点Ｍijについて説明すると、図９のグラフに基づき、式（１）のＡ、Ｂ、Ｃを設定してフィッティングをかけてψ、δを算出したところ、（ψ、δ）＝（３２.７度、１５２.９度）であり、入射角度５０°での膜厚ｄ＝５０.０ｎｍ、屈折率ｎ＝１.４５であった。
従来のエリプソメータによる測定結果が、膜厚ｄ＝５０.２ｎｍ、屈折率ｎ＝１.４６であったので、これらと比較しても十分精度良く測定できることが確認できた。
本例によれば、多数の測定点Ｍijについて、図９に示すような回転角θ−光強度分布Ｉを同時に測定することができるので、他の測定点Ｍijについても同様にして、光学異方性パラメータとなる膜厚ｄ及び屈折率ｎを迅速に測定することができ、したがって広範囲にわたる膜厚分布及び屈折率分布を短時間で測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、光学異方性を有する製品、特に、液晶配向膜の品質検査などに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明に係る光学的異方性パラメータ測定装置の一例を示す説明図。
【図２】その測定方法を示す説明図。
【図３】回転角−光強度の測定結果を示すグラフ。
【図４】光学軸の方向の均一性の測定結果を示すグラフ。
【図５】本発明の他の実施形態を示す説明図。
【図６】本発明の他の実施形態を示す説明図。
【図７】その測定方法を示す説明図。
【図８】本発明の他の実施形態を示す説明図。
【図９】その測定結果を示す説明図。
【図１０】従来装置を示す説明図。
【符号の説明】
【００６５】
１、２１、３１、４１  光学異方性パラメータ測定装置
２                    試料
３、３３、４３        照射光学系
４、３４、４４        測定光学系
５、３５              光源装置
ＢＬ                  入射光束  
ＢＲ                  反射光束  
θＢ                  ブリュースター角
６                    入射側平面リフレクタ（反射型偏光子）
８                    反射側平面リフレクタ（反射型検光子）
９                    結像レンズ
１０                  光センサ
【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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【図６】
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【図７】
2008064691.tif 000009
【図８】
2008064691.tif 000010
【図９】
2008064691.tif 000011
【図１０】
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