(57)【要約】【課題】液晶ディスプレイの配向膜などを、光学的な物質特性や、表面形状、表面の付着物の有無を含めて精度良く検査・測定することを可能にする。【解決手段】薄膜を測定対象試料として、同一の光源から出射した光を光分割手段（ハーフミラー５）によって物体照射光１１と参照光１２の二方向に分割させ、物体照射光１１を試料３０の表面に対して斜めに照射し、その試料表面および表面近傍で生じた物体反射光１１ａと前記参照光１２とを光重ね合わせ手段（ハーフミラー５）で重ね合わせることで生じた光学干渉によって前記試料の光学特性を測定する。光の強度変化を検出するために二次元光強度検出器（アレイＣＣＤ７）などを用いる。試料表面で生じる反射光と参照光を光学干渉によって生じる光の強度変化によって、試料表面と表面近傍の光学的な物質特性および表面状態を測定することができる。【選択図】図５
2008082811.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜を測定対象試料として、同一の光源から出射した光を物体照射光と参照光の二方向に分割させ、前記物体照射光を前記試料の表面に対して斜めに照射し、その試料表面および表面近傍で生じた物体反射光と前記参照光とを重ね合わせることで生じた光学干渉によって前記試料の光学特性を測定することを特徴とする薄膜の光学特性測定方法。
【請求項２】
前記光学特性は、試料の屈折率、試料の表面形状、試料表面の付着物の有無を含むことを特徴とする請求項１記載の薄膜の光学特性測定方法。
【請求項３】
前記光学特性は、光学特性に関する複数の特性を一括して、または複数の特性項目を個別に測定するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜の光学特性測定方法。
【請求項４】
前記光学特性は、前記試料における面内分布を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜の光学特性測定方法。
【請求項５】
前記試料を相対的に面内で回転させて光学特性の面内分布を測定することを特徴とする請求項４記載の薄膜の光学特性測定方法。
【請求項６】
前記光学特性の測定は、前記物体照射光から前記物体反射光に至る偏光状態の変化に基づいて行われることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の薄膜の光学特性測定方法。
【請求項７】
前記光学干渉は、前記試料における薄膜底部での物体反射光により得られる干渉を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の薄膜の光学特性測定方法。
【請求項８】
前記光学干渉による干渉縞の位相に基づいて前記試料の表面形状および表面付着物の有無を測定することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の薄膜の光学特性測定方法。
【請求項９】
前記光学干渉により物体反射光のｐ偏光とｓ偏光の振幅比と位相差を求め、該振幅比と位相差とによって前記試料における薄膜の屈折率と吸収率を測定することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の薄膜の光学特性測定方法。
【請求項１０】
光源から出射した光に偏光特性を与える偏光手段と、前記偏光手段を経た光を物体照射光と参照光の二方向に分割させる光分割手段と、前記物体照射光が試料の表面に対し斜めに照射されて該表面および表面近傍で反射することで生じる物体反射光と前記光分割手段で分割された前記参照光とを重ね合わせる光重ね合わせ手段と、前記光重ね合わせ手段で得られた重ね合わせ光を受光する受光手段と、前記受光手段で受光された光から光学干渉情報を得て、該干渉情報によって物体参照光から物体反射光に至る偏光状態の変化を求めて前記試料の光学特性を解析する光学特性解析手段を備えることを特徴とする光学特性測定装置。
【請求項１１】
前記参照光および前記物体反射光に偏光特性を与える第２の偏光手段を備えることを特徴とする請求項１０記載の光学特性測定装置。
【請求項１２】
偏光手段の偏光方位を可変する偏光方位可変機構を備えることを特徴とする請求項１０または１１記載の光学特性測定装置。
【請求項１３】
前記物体照射光、前記物体反射光および前記参照光のすくなくとも一つに、位相差を与える補償手段を備えることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の光学特性測定装置。
【請求項１４】
前記補償手段は、位相差を与える光の方位を任意に変更可能であることを特徴とする請求項１３記載の光学特性測定装置。
【請求項１５】
前記補償手段を光軸に対し回転可能とする補償手段回転機構を備えることを特徴とする請求項１３または１４記載の光学特性測定装置。
【請求項１６】
前記参照光の光路に、偏光手段と、該偏光手段を光軸に対して回転できる機構とを備え、該回転によって光の透過率を制御する光強度調整手段を備えることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれかに記載の光学特性測定装置。
【請求項１７】
前記試料を光学系に対し相対的に面内で回転させて前記試料の面内角度依存性を測定可能とする面内回転手段を備えることを特徴とする請求項１０〜１６のいずれかに記載の光学特性測定装置。
【請求項１８】
平行移動、回転または煽り角度調整を行う可動機構を有する試料台を備えることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれかに記載の光学特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、被測定試料の表面および表面近傍の屈折率などの光学的な性質や、表面形状、表面の付着物の有無、およびこれら項目の面内分布を検査・測定可能な薄膜の光学特性測定方法および光学特性測定装置に関するものである。例えば、液晶ディスプレイの配向膜の表面を非接触的に検査・測定する用途に好適に利用されるものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶ディスプレイにおいて液晶分子の方向性を制御するためにガラス基板に有機薄膜を形成し、その薄膜に配向性を付与する処理工程がある。薄膜表面を配向させるための手段として、ラビングと呼ばれる化繊布を巻いたローラを回転させながら走査して配向性を与える処理や、光ラビングと呼ばれる有機薄膜材料にあらかじめ感光性の機能を付加しておき、光を照射することによって配向性を与える方法がある。液晶分子は電界が掛かっていない場合には、配向膜の分子配向にそって整列する性質を持っている。有機薄膜の分子配向特性にムラがある場合には液晶分子の方向性にムラが生じて、その結果、表示品質にも影響を与える。前述したように、ラビングは化繊布を用いた機械的な摩擦力による処理であることから、処理の精密な制御が困難でありラビング処理による配向特性のムラや不良が生じることがある。一方、光配向ではラビングに置き換わるものとして盛んに研究開発されていて、実用化のために配向膜の評価が重要となっている。
実際の液晶ディスプレイ生産ラインでは、配向膜の不良は最終製品に近い状態での点灯検査によって発覚する場合が多く、生産工程の上流に位置するラビング処理などの不具合がもたらす生産の損失は大きいとされている。そこで、ラビング処理などの後に配向膜の検査を多くのサンプルを対象として実施することで生産の高効率化をもたらすことができる。
【０００３】
ガラスなどの基板の表面に形成された薄膜の表面および表面近傍の屈折率などの光学特性を測定するためには、試料表面に対して光を斜めから照射させ、表面で反射した際に生じる光の偏光状態の変化を検出する方法が知られている。従来技術としてこの測定方法を具現化したものが、一般的に使用されているエリプソメータであり、配向膜の配向特性を評価する方法としても提案されている（特許文献１参照）。特許文献１で示される装置では、光源からの光を偏光子、位相板を介して試料に照射し、表面からの反射光を検光子を介して受光管で受光して分析を行っている。この手法では、屈折率、吸収率が既知である一層の薄膜（基板上試料）の膜厚、屈折率、吸収率の３つの量のうちの２つの量を、反射光のＳ偏光成分（試料表面に平行な成分）とそれに垂直なＰ偏光成分の位相差と強度比、試料表面に対し照射する光の入射角、光の波長から計算する。
【０００４】
また、薄膜表面の形状評価や、表面の付着物の有無を確認する方法の一例として、干渉計が挙げられる。一般的には干渉計は試料表面に対して垂直に光を照射し、その反射光を参照光と干渉させ干渉縞の解析から表面形状を得るために使用されているケースが多い。試料の光学特性を測定するものとしては、特許文献２などで提案されている。また、斜めに光を入射させて試料の表面の形状を測定する手法として、特許文献３により斜入射干渉計が提案されている。
【特許文献１】特開平９−２１８１３３号公報
【特許文献２】特開平８−１２２２１０号公報
【特許文献３】特開平７−２６０４１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記したエリプソメータでは、試料の照射した光のスポットサイズ内のエリアを平均化した形で測定を行い、点計測が一般的である。その理由として、反射光の検出器としてフォト・ダイオードや光電子増倍管を用いていることから一点の情報しか得ることができない。そのため、薄膜の面内分布データを得るためには複数回測定を行う必要があり、多大な測定時間を要する。エリプソメータの光検出器として二次元光強度検出器（ＣＣＤ）を使用しているケースもあるが消光法といった測定に時間を要する測定手法である。また、光の照射、反射によって薄膜で生じる光学特性の変化が小さい場合では、二次元光強度検出器では偏光状態の変化を捉えることは困難となる。さらにエリプソメータは、表面の光学的な物質特性を測定する以外に、試料表面の形状や表面に付着した塵埃などの付着物の有無を検査・測定することができず、表面形状に凹凸や傾斜が存在する場合、光学特性に乱れが生じて、誤った測定結果を示してしまうおそれがあるという問題がある。以上のように、エリプソメータを利用した配向膜の評価方法は、薄膜表面の凹凸がない一点の光学特性を詳細に測定することに適しているが、液晶ディスプレイの生産工程において、配向膜の検査をインラインで実施する方法としては、その処理速度、測定精度の点で要求を満たしていない。
【０００６】
また、前記した干渉を利用した装置では、薄膜表面の形状評価や、表面の付着物の有無の測定が可能であるが、試料の屈折率などの光学的な物質特性を評価することが難しいという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、干渉現象を応用して薄膜表面の光学的な物質特性、表面の形状、付着物の有無などを面内分布を含めて精度良く検査・測定することを可能にする薄膜の光学特性測定方法および光学特性測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明の薄膜の光学特性測定方法のうち、請求項１記載の発明は、薄膜を測定対象試料として、同一の光源から出射した光を物体照射光と参照光の二方向に分割させ、前記物体照射光を前記試料の表面に対して斜めに照射し、その試料表面および表面近傍で生じた物体反射光と前記参照光とを重ね合わせることで生じた光学干渉によって前記試料の光学特性を測定することを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の薄膜の光学特性測定方法の発明は、請求項１記載の発明において、前記光学特性は、試料の屈折率、試料の表面形状、試料表面の付着物の有無を含むことを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の薄膜の光学特性測定方法の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記光学特性が、光学特性に関する複数の特性を一括して、または複数の特性項目を個別に測定するものであることを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の薄膜の光学特性測定方法の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記光学特性は、前記試料における面内分布を含むことを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載の薄膜の光学特性測定方法の発明は、請求項４記載の発明において、前記試料を相対的に面内で回転させて光学特性の面内分布を測定することを特徴とする。
【００１３】
請求項６記載の薄膜の光学特性測定方法の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記光学特性の測定は、前記物体照射光から前記物体反射光に至る偏光状態の変化に基づいて行われることを特徴とする。
【００１４】
請求項７記載の薄膜の光学特性測定方法の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、前記光学干渉は、前記試料における薄膜底部での物体反射光により得られる光学干渉を含むことを特徴とする。
【００１５】
請求項８記載の薄膜の光学特性測定方法の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の発明において、前記光学干渉による干渉縞の位相に基づいて前記試料の表面形状および表面付着物の有無を測定することを特徴とする。
【００１６】
請求項９記載の薄膜の光学特性測定方法の発明は、請求項１〜８のいずれかに記載の発明において、前記光学干渉により物体反射光のｐ偏光とｓ偏光の振幅比と位相差を求め、該振幅比と位相差とによって前記試料における薄膜の屈折率と吸収率を測定することを特徴とする。
【００１７】
請求項１０記載の光学特性測定装置の発明は、光源から出射した光に偏光特性を与える偏光手段と、前記偏光手段を経た光を物体照射光と参照光の二方向に分割させる光分割手段と、前記物体照射光が試料の表面に対し斜めに照射されて該表面および表面近傍で反射することで生じる物体反射光と前記光分割手段で分割された前記参照光とを重ね合わせる光重ね合わせ手段と、前記光重ね合わせ手段で得られた重ね合わせ光を受光する受光手段と、前記受光手段で受光された光から光学干渉情報を得て、該干渉情報によって物体参照光から物体反射光に至る偏光状態の変化を求めて前記試料の光学特性を解析する光学特性解析手段を備えることを特徴とする。
【００１８】
請求項１１記載の光学特性測定装置の発明は、請求項１０記載の発明において、前記参照光および前記物体反射光に偏光特性を与える第２の偏光手段を備えることを特徴とする。
【００１９】
請求項１２記載の光学特性測定装置の発明は、請求項１０または１１記載の発明において、偏光手段の偏光方位を可変する偏光方位可変機構を備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項１３記載の光学特性測定装置の発明は、請求項１０〜１２のいずれかに記載の発明において、前記物体照射光、前記物体反射光および前記参照光のすくなくとも一つに、位相差を与える補償手段を備えることを特徴とする。
【００２１】
請求項１４記載の光学特性測定装置の発明は、請求項１３記載の発明において、前記補償手段は、位相差を与える光の方位を任意に変更可能であることを特徴とする。
【００２２】
請求項１５記載の光学特性測定装置の発明は、請求項１３または１４記載の発明において、前記補償手段を光軸に対し回転可能とする補償手段回転機構を備えることを特徴とする。
【００２３】
請求項１６記載の光学特性測定装置の発明は、請求項１０〜１５のいずれかに記載の発明において、前記参照光の光路に、偏光手段と、該偏光手段を光軸に対して回転できる機構とを備え、該回転によって光の透過率を制御する光強度調整手段を備えることを特徴とする。
【００２４】
請求項１７記載の光学特性測定装置の発明は、請求項１０〜１６のいずれかに記載の発明において、前記試料を光学系に対し相対的に面内で回転させて前記試料の面内角度依存性を測定可能とする面内回転手段を備えることを特徴とする。
【００２５】
請求項１８記載の光学特性測定装置の発明は、請求項１０〜１７のいずれかに記載の発明において、平行移動、回転または煽り角度調整を行う可動機構を有する試料台を備えることを特徴とする。
【００２６】
すなわち、本発明の薄膜の光学特性測定方法では、レーザや白色光源、または白色光源から光フィルターや分光器によって選択的に取り出した光は、ハーフミラーやビームスプリッタなどを使用して試料に照射する物体照射光と参照光に分割する。物体照射光は試料表面に対して斜めに照射すると、表面で反射する光と透過する光に分かれ、試料表面および表面近傍で生じる反射によって偏光状態の変化した物体反射光が得られる。物体反射光は、薄膜の屈折率、反射率、表面の形状、表層の付着物の有無に依存して、偏光状態および反射率で示される光強度が変化する。この表面部の情報を含んだ物体反射光と上記参照光を重ね合わせると光学干渉が起こり、光の強度変化として表れ、偏光状態などの微弱な変化を捉えることができる。この変化に基づいて試料の光学特性を解析することで、薄膜表面および表面近傍の屈折率、表面形状、表面の付着物の有無などを検査・測定することができる。
【００２７】
また、本発明の光学特性測定装置では、光源から出射した光に偏光手段によって所望の偏光状態を与えることができ、この光が光分割手段により物体照射光および参照光に分割される。物体照射光は試料に照射され、試料の表面や、表面付着物、試料薄膜の底部などで反射して物体反射光が得られる。この反射においては物体照射光における偏光状態が変化して物体反射光に出現する。この物体反射光と前記参照光とは光重ね合わせ手段で重ね合わされて重ね合わせ光が得られる。重ね合わせ光では、異なる光路を経た位相差を有する光波の合成によって光干渉が生じて干渉縞が得られており、該干渉縞を含む重ね合わせ光は受光手段で受光され、試料の光学特性に関する情報が干渉情報として現れた信号が取り出される。該信号は、光学特性解析手段によって解析されて試料の光学特性に関する情報が取得される。
【００２８】
本発明では、光源から出射された光を利用して測定を行うが、この光源としては、レーザや白色光を発する光源などが用いられる。ただし、本発明としては光源の種別が特に限定されるものではなく、測定精度などを考慮して適宜の光源を選択することができる。レーザ光以外の光源では、複数の波長光を有しており、これをそのまま使用してもよく、またフィルターや分光器を用いて特定波長域の光を用いるようにしても良い。
光源から出射された光には、偏光手段によって所望の偏光特性（例えば直線偏光）を与える。偏光手段は、偏光素子、偏光板などにより構成することができ、これらを組み合わせることもできる。偏光手段の材質等は本発明としては特定されるものではなく、所望の偏光特性を与えられるものであればよい。
【００２９】
偏光手段は、所望により偏光方位を変更できるものが望ましく、例えば偏光手段の結晶光軸を中心にして回転可能な機能を設けることで偏光方位を変更することができる。偏光方位角を変化させることでＰ，Ｓ偏波の振幅比を調整できる。試料の反射率はＰ，Ｓ偏光によって異なることからＰ，Ｓ偏光の振幅比を増減して、物体照射光の試料での反射光量と参照光量のそれぞれの光量を一致できる。その結果良好な縞のコントラストを得ることが可能となる。
偏光特性を与えられた光は、光分割手段によって分割される。光分割手段は、上記したようにハーフミラーやビームスプリッタなどにより構成することができ、本発明としては特定のものに限定されるものではなく、一つの光束を物体照射光と参照光とに分割できるものであればよい。物体照射光は、光分割手段から直接に、またはその他の光学部材（ミラーやレンズ）を通して試料に対し斜めに入射される。
【００３０】
なお、物体照射光または参照光の光路には、補償手段を配置してそれぞれの光について特定方位における位相を調整することができる。この位相を任意に調整可能にすることで、物体照射光と参照光の位相の調整が可能となり、任意の直線偏光、円偏光、楕円偏光の状態を生じさせる。例えば、試料物体照射光の試料での反射光が楕円偏光であるとき、参照光も楕円偏光に調整することができ、偏光干渉状態を作り出すことができる。その結果より詳細な偏光情報の解析が可能となる。また、位相の調整によって測定精度を向上させることもできる。補償手段は、補償子や補償板またはこれらの組み合わせなどにより構成することができ、例えば補償手段をその光軸を中心にして回転可能にする機構を設けることで上記位相の調整を行う方位を任意に変更することが可能になる。
【００３１】
物体照射光を照射する測定対象の試料としては、好適には液晶ディスプレイの配向膜が挙げられる。ただし、本発明として測定対象が上記に限定されるものではなく、種々の薄膜やその他の材質の試料を対象にすることができる。
該試料は試料台に設置して、この試料台を平行移動、回転、煽り角度調整可能とすることで、試料の面内分布を膜厚方向を含めて高精度で測定することを可能にする。
【００３２】
試料では、物体照射光によって上記したように表面および表面近傍で反射して位相が異なる複数の光物体反射光となる。また、物体反射光は、反射によって物体照射光とは異なる偏光状態になる。これは偏光におけるｓ偏光とｐ偏光で、反射による位相のずれ量、反射率、吸収率が異なるためである。このため、ｓ偏光とｐ偏光の振幅比と位相差とによって前記試料における薄膜の屈折率と吸収率を測定することが可能になる。
物体反射光の光路では、前記と同様の理由で補償手段を配置して物体反射光の特定方位の光の位相を調整することができる。また、この補償手段においても、その光軸を中心にして回転可能にする機構を設けることで上記位相の調整を行う方位を任意に変更することが可能になる。
【００３３】
一方、参照光の光路では、強度調整のために偏光手段を用いた光強度調整手段を設けることができる。この光強度調整手段では、偏光手段をその光軸に対し回転調整可能な機構を設けることで、偏光特性を有する光の透過率を調整することができる。これにより試料の光反射率によって変化する物体反射光と参照光の光強度が異なった場合に干渉縞のコントラストが劣化することを防止して測定精度を高めることができる。
【００３４】
さらに物体反射光と前記参照光とは、ハーフミラーなどで構成される光重ね合わせ手段によって合成されて重ね合わせ光とされる。光重ね合わせ手段には、上記のようにハーフミラーなどが使用されるが、本発明としては特定のものに限定されるものではなく、物体反射光と前記参照光とが重ね合わされて重ね合わせ光が得られるものであればよい。この際に、位相の異なる光同士は干渉が生じ、光強度の変化として現れる。
この物体反射光および参照光の光路または重ね合わせ光の光路には、所望により第２の偏光手段を配置することができる。第２の偏光手段では、偏光特性を有する物体反射光、参照光または重ね合わせ光について特定の偏光方向の光を抽出して偏光状態を検出することを可能にする。該検出では、第２の偏光手段をその光軸を中心に回転可能な機構を設けて回転させることで透過する光の偏光方向を変えることができるので、それに基づく光強度変化を捉えて偏光状態を容易に把握することができる。
【００３５】
光強度の変化を含む重ね合わせ光は、受光手段で受光され、干渉情報を含む受光信号を生成する。受光手段は、光を受光して光強度に関する信号を出力できるものであればよく、フォトダイアオードやアレイ型ＣＣＤなどを挙げることができる。本発明としては受光手段の種別が特に限定されるものではないが、広いエリアを一度に測定可能なものとしてアレイ型のものが望ましい。
【００３６】
受光手段で得られた信号は、解析手段によって試料における光学特性が解析され、試料の屈折率、試料の表面形状、試料表面の付着物の有無が一括して、または複数項目として測定される。なお、解析手段は、ＣＰＵとこれを動作させるプログラムとを主として構成することができる。受光信号に基づく試料光学特性の解析は既知の種々の方法により行うことができるが、以下に、その例を説明する。
【００３７】
以下、本発明を利用して表面形状に凹凸を有する薄膜を測定するための測定原理について説明する。本発明は斜入射干渉法を発展させた構成となっている。ハーフミラーなどで物体照射光と参照光に分岐された光は、それぞれ試料表面、参照ミラーなどで反射して、ハーフミラーなどで合波され干渉を生じる。このとき合成波、すなわち干渉波の光強度Iは次の式で示される。
【数１】
2008082811.tif 000003
【００３８】
ただし、ａ1、ａ２はそれぞれ物体反射光および参照光の振幅を示し、θ１、θ２は物体反射光および参照光の位相である。
ここでＩ’＝ａ1２＋ａ２２、Ｉ”＝２ａ1ａ２として、θ２−θ１を位相差δとおくと、
【数２】
2008082811.tif 000004
【００３９】
とまとめられる。
干渉光は，二光波をそれぞれ単独の強度の和ａ1２＋ａ２２（バイアス成分） のほかに２ａ1ａ２（変調成分）として位相差δ＝θ２−θ１から表すことができる正弦変調する干渉効果が加わる。この位相差δは、それぞれ物体照射光、参照光の初期位相Φ１、Φ２の差と、光路長ｌ１、ｌ２の差により決定され次式で示される。
【数３】
2008082811.tif 000005
【００４０】
ここで、κは波数である。斜入射干渉では入射角θ１で照射した物体照射光が試料表面で反射するとき測定面の高さの情報を含んだ位相分布φ（ｘ、ｙ）が付加される。
この位相分布φ（ｘ、ｙ）は、図１に示すように試料表面で高低差Δｈの凹凸が存在するとき，それぞれの面Ａと面Ｂで反射された光には、Δφが生じる。ここで、Δｈは、Δφを用いて
【数４】
2008082811.tif 000006
【００４１】
と表される。これから位相分布φ（ｘ、ｙ）は、
【数５】
2008082811.tif 000007
【００４２】
と表される。式３において，物体照射光の光路長をｌ１、参照光の光路長をｌ２として、物体照射光と参照光はハーフミラーで分割されるので初期位相はΦ１＝Φ２として考える。また、位相差θ１はθ１＝κｌ２＋φ（ｘ、ｙ）と表されるので、式３は
【数６】
2008082811.tif 000008
【００４３】
となる。ここで、−κ（ｌ２−ｌ１）は定数なので、これを干渉縞の初期位相Φ０とすると、干渉縞の光強度分布は式２から、
【数７】
2008082811.tif 000009
【００４４】
と表される。干渉計の測定感度を表す等高線縞の等高線間隔Δｈは斜入射であることから、
【数８】
2008082811.tif 000010
【００４５】
である。位相分布φ（ｘ、ｙ）を干渉縞から解析する方法としていくつか提案されているが、ここでは一般的な手法として位相シフト法（位相ステップ法）1)を用いて説明する。図２に示すように参照面にピエゾ素子などの可動機構を設け、その最大移動距離を等高線間隔Δｈ（干渉縞一周期分）に設定してＮ等分する。その第ｉ番目の参照面に対応する干渉縞をＩｉ（ｉ＝１、２、３、…、Ｎ）とすると、次式により位相φの余弦、正弦成分をそれぞれ求めることができる。
【数９】
2008082811.tif 000011
【数１０】
2008082811.tif 000012
【００４６】
これらの余弦成分Ｃと正弦成分Ｓを用いて以下の計算を行うと、物体形状に比例した位相φを求めることができる。
【数１１】
2008082811.tif 000013
【００４７】
次に、試料表面に薄膜が形成されているとき、その薄膜によって位相差が生じる場合を考える。薄膜で位相差が生じる場合には、位相分布φ（ｘ、ｙ）には測定面の高さの情報のほかに薄膜で生じる位相差成分も含まれることになる。図３は薄膜における光学干渉の結果おこる位相差の変化を示したものである。薄膜を形成する材質の屈折率や吸収係数、膜厚、層構造、基板の屈折率などによって光学干渉による位相差が変化する。ｐ、ｓ偏光の振幅反射係数は、電気双極子放射が違うために大きく異なる。そのため、図４に示すように、試料での反射によってｐ、ｓ偏光の振幅および位相が変化する。このｐ、ｓ偏光の振幅比と位相差を測定し、この測定値から試料の屈折率と吸収係数を求めることができる。
【００４８】
次に、斜入射干渉を用いて薄膜によって生じた振幅比と位相差を測定する方法について説明する。まず振幅比は、物体反射光と参照光の強度比を取ることで測定が可能である。式２の第一項と第二項がそれぞれ物体反射光と参照光の光強度である。これは干渉波の平均値から算出できる。
次に位相差については試料表面に対してｐ、ｓ偏光それぞれの測定光の試料表面による光反射のｐ、ｓ偏光について干渉縞の計測を行い、ｐ、ｓ偏光入射時にそれぞれ得られた位相分布の差が，薄膜によって生じた位相差である。参照光が直線偏光であるとき、参照光のｐ、ｓ偏光の位相差は０°である。この位相差０°を基準として、物体からの反射光のｐ、ｓ偏光と参照光のｐ、ｓ偏光とをそれぞれ干渉させ位相分布φ（ｘ、ｙ）を求める。
以上のように測定によって得た振幅と位相差はそれぞれ薄膜材質の屈折率と吸収係数と相関関係をもっていることは周知の事実2)であり，薄膜の評価に用いることができる。
【００４９】
1)  J.E.Greivenkamp and J.H.Bruning : Phase Shifting Interferometry in Optical Shop Testing, 2nd ed.,D.Malacara(ED.),John Wiley & Sons, New York, (1992) 501。
2)  藤原裕之：分光エリプソメータ，丸善書店（2003）。
【発明の効果】
【００５０】
以上説明したように、本発明の薄膜の光学特性測定方法によれば、薄膜を測定対象試料として、同一の光源から出射した光を物体照射光と参照光の二方向に分割させ、前記物体照射光を前記試料の表面に対して斜めに照射し、その試料表面および表面近傍で生じた物体反射光と前記参照光とを重ね合わせることで生じた光学干渉によって前記試料の光学特性を測定するので、試料表面で生じる反射光と参照光を光学干渉によって生じる光の強度変化によって試料表面と表面近傍の光学的な物質特性および表面状態を測定することができる。これは、エリプソメータを用いた光学特性の測定、原子間力顕微鏡を用いた表面形状の測定というように別の測定器を使用して同一エリアの測定を行った場合と比較すると、測定エリアを一致させる手間が省け、光学特性と表面形状の関連性が強まり、より有効な測定結果が得られる。
さらに、光の強度変化を検出するために二次元光強度検出器（ＣＣＤ）を用いることで、面内分布のデータを一括に取得することが可能となり、二次元検出器の前方にレンズを付加して倍率を変更することで自在に測定エリアのサイズを変更できる。その結果、測定面積の増大や測定時間の短縮できる効果がある。
【００５１】
また、本発明の光学特性測定装置によれば、光源から出射した光に偏光特性を与える偏光手段と、前記偏光手段を経た光を物体照射光と参照光の二方向に分割させる光分割手段と、前記物体照射光が試料の表面に対し斜めに照射されて該表面および表面近傍で反射することで生じる物体反射光と前記光分割手段で分割された前記参照光とを重ね合わせる光重ね合わせ手段と、前記光重ね合わせ手段で得られた重ね合わせ光を受光する受光手段と、前記受光手段で受光された光から光学干渉情報を得て、該干渉情報によって物体参照光から物体反射光に至る偏光状態の変化を求めて前記試料の光学特性を解析する光学特性解析手段を備えるので、偏光特性を有する物体照射光を試料に照射して、偏光状態が変化した物体反射光と参照光との重ね合わせにより生じた光学干渉を含む光強度変化を信号として取り出すことができ、上記測定方法による試料の光学特性の解析を精度良く行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
（実施形態１）
以下、この発明の一実施形態を図５に基づいて説明する。
この実施形態では、被測定対象である薄膜の試料３０は、ガラス基板３１上に形成されており、図示しない試料台上に設置されている。試料台は、図示しないモータなどにより構成される面内回転手段によって試料接地面と直交する方向を回転軸として回転可能とされている。
【００５３】
上記試料３０の斜め上方位置には、該試料３０に照射方向を向けたレーザ光源１が設置されており、該レーザ光源１から照射されるレーザ光１０の光路に、偏光手段として偏光子２が配置されている。該偏光子２は、図示しないモータなどの回転手段によって偏光子２の光軸を中心に回転可能となっている。さらに偏光子２の前方光路には、光分割手段としてハーフミラー３が配置されており、その透過方向前方に、試料３０が位置している。ハーフミラー３の反射方向の光路前方には、ミラー４が配置されている。ミラー４の偏向方向には、光重ね合わせ手段であるハーフミラー５が配置されており、ミラー４により反射された光はハーフミラー５の反射面に入射するようにされている。一方、ハーフミラー３を透過して試料３０に照射された後に反射する光は、上記ハーフミラー５の透過面に入射するようにされている。該ハーフミラー５で上記反射および入射により重ね合わせされた光の前方光路には第２の偏向手段である偏光子６が配置されている。該偏光子６は、図示しないモータなどの回転手段によって偏光子６の光軸を中心に回転可能となっている。該偏光子６を透過した光の光路前方には、受光手段であるアレイＣＣＤ７が配置されている。アレイＣＣＤ７の出力側には、解析手段を構成するコンピュータ８が接続されており、該コンピュータ８は、図示しないＣＰＵとこれを動作させるプログラムとを備えている。上記により光学特性測定装置が構成されている。
【００５４】
上記光学特性測定装置を用いた薄膜の光学特性測定方法について以下に説明する。
レーザ光源１から出射したレーザ光１０は、偏光子２によって特定の偏光軸方向（直線偏光）の光が透過して、ハーフミラー３に入射される。ハーフミラー３では、レーザ光１０は、透過側の物体照射光１１と、反射側の参照光１２とに分割される。物体照射光１１は、試料３０の薄膜表面に対して斜めに入射する。光の一部は透過するが、一部の光は試料の表面もしくは表面近傍で反射する。この際に、表面の光学定数についての屈折率、吸収率、薄膜が形成されている基板の屈折率、吸収率、薄膜の膜厚、薄膜の表面形状、表面に付着した異物に依存して、反射光のｐ、ｓ偏光の強度、位相に変化が生じる。物体からの物体反射光１１ａと、ミラー４で反射された参照光１２とは、ハーフミラー５で再度重ね合わせると互いに干渉を生じて干渉縞をなす。この干渉縞を有する重ね合わせ光１３は、偏光子６によって特定の偏向軸方向の光が透過され、二次元光強度検出器であるアレイＣＣＤ７により光の強度データとして取り込む。該強度データは、コンピュータ８に取り込んで、前記光学定数によって変化した成分と表面形状や付着物によって変化した成分に分解する。該分解は、例えば、白色光干渉法や波長走査干渉法の手法により行うことができる＊）。前者は光のスペクトル幅から生じるコヒーレンス長を、後者は反射光の時間遅れから生じる周波数差を利用して試料面内の高さ方向の分解能を得る。
＊）日比野謙一：”波長走査干渉計による表面形状・厚さ分布計測”，光技術コンタクト，４１，２（２００３）９５−１０２．
【００５５】
このとき光学定数によって変化した成分は、偏光子２を回転させた場合に変化する干渉縞を偏光子６の回転によって抽出し解析して行い、表面形状や付着物による凹凸は一般的に干渉縞解析に用いられている合致法、係数法、ヘテロダイン法、位相変調法などによって、それぞれ解析を行う。該解析によって薄膜である試料３０の屈折率、吸収率、薄膜の膜厚、薄膜の表面形状、表面に付着した異物の有無を高精度に測定することができる。
なお、図示しない試料台では、面内回転手段により試料３０を回転することで、試料の光学特性の面内分布を容易に測定することができる。さらに、試料台は、平行移動、回転または煽り角度調整を行う可動機構を設けることにより、試料の光学特性に関する面分布をより広範に求めることができる。
【００５６】
（実施形態２）
実施形態２は、本発明の光学特性測定装置の他の形態を示すものであり、図６に基づいて説明する。なお、実施形態１と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。
【００５７】
この実施形態でも、試料３０の斜め上方位置に、レーザ光源１が設置され、該レーザ光源１から照射されるレーザ光１０の光路に、偏光子２、ハーフミラー３が配置されている。
ハーフミラー５の透過側光路には、三稜鏡であるプリズム２０が配置されており、その一稜面にハーフミラー５からの透過光が入射し、プリズム２０内で屈折した後、試料３０の表面に所定の入射角で照射するように配置されている。また、試料３０で反射した光は、上記プリズム２０を通過することで反射方向が変えられる。なお、プリズムを偏向手段として用いる場合、三稜鏡に限定されないことは当然である。
【００５８】
一方、ハーフミラー３の反射方向前方には、ピエゾアクチュエータ２１、２１によって面方向と垂直な方向に移動して位置調整可能なミラー２２が配置されている。ミラー２２の偏向方向の光路には、補償子２４が配置されており、その前方光路にハーフミラー５が配置されている。なお、補償子２４は、その光軸を中心に回転させるモータなどの図示しない回転機構を備えており、位相を遅らせる方位を変更可能としている。
また、プリズム２０から出射される反射光の光路にも補償子２３が配置されており、補償子２３の前方光路に上記ハーフミラー５が位置している。補償子２３も、その光軸を中心に回転させるモータなどの図示しない回転機構を備えており、位相を遅らせる方位を変更可能としている。
【００５９】
ハーフミラー５で重ね合わせされた光の前方光路には偏光子６が配置されている。該偏光子６は、図示しないモータなどの回転手段によって偏光子６の光軸を中心に回転可能となっている。該偏光子６を透過した光の前方光路には、アレイＣＣＤ７が配置され、アレイＣＣＤ７の出力側に、コンピュータ８が接続されている。上記により、実施形態２における光学特性測定装置が構成されている。
【００６０】
上記光学特性測定装置を用いた薄膜の光学特性測定方法について以下に説明する。
レーザ光源１から出射したレーザ光１０は、偏光子２によって特定の偏光軸方向の光が透過して、ハーフミラー３に入射され、物体照射光１１と、参照光１２とに分割される。
物体照射光１１は、プリズム２０に入射し、プリズム中で屈折しつつ他の面から出射されて所定の入射角で試料３０に照射され、試料３０の表面および表面近傍で反射した後、再度プリズムに入射し、プリズム中で屈折して他の稜面から出射される。
この際の試料３０への入射角、プリズム２０からの出射角は、プリズム２０への入射角と、プリズムの屈折率、プリズムの切稜（面取り）の角度によって定まる。したがって、これらの要素が異なるプリズムに変更することで、試料への入射角、プリズムからの出射角を容易かつ任意に変更することができる。試料には光の入射角に依存した光学特性を持つ場合があり、試料に対する物体光の入射角を変更してデータを取ることで試料のより詳細な評価が可能となる。しかしながら干渉計の光学部品の光学調整には手間が掛かり時間を要するため、入射角を変更するために一度調整を行った光学系を変更することは望ましいことではない。装置化されている場合には光学部品の移動機構が増加し好ましくない。そこで試料に対し、物体照射光が照射される光路および物体反射光が反射される光路に偏向角度を調整可能なプリズムを配置することで、部品配置や角度関係に依存せずに試料表面に対して入射角を任意に変更することが望ましい。なお、この際には、プリズムからの出射位置と出射方向が一定の光路上に沿うように上記プリズムの要素を選定するのが望ましい。
【００６１】
一方、ハーフミラー３で反射された参照光１２は、ミラー２２で反射される。この際に、ミラー２２は、ピエゾアクチュエータ２１によって移動可能になっており、これにより参照光１２の位相を任意に変更することができる。
【００６２】
上記プリズム２０から出射された物体反射光１１ａは、補償子２３に入射され、所定方位の光の位相を選択的に遅らせる。この際に補償子２３を図示しない回転機構で回転させることにより位相を遅らせる方位を任意に変えることができる。
また、前記ミラー２２で反射された参照光１２は、補償子２４に入射され、同様に、所定方位の光の位相を選択的に遅らせる。この際に補償子２４を図示しない回転機構で回転させることにより位相を遅らせる方位を任意に変えることができる。
【００６３】
補償子２３、２４を通過した物体反射光１１ａと参照光１２は、ハーフミラー５で重ね合わされて干渉縞を生じ、重ね合わせ光として偏光子６に入射されて、特定の偏向軸方向の光が抽出されて、アレイＣＣＤ７に前記実施形態１と同様に受光されて、その出力信号がコンピュータ８に入力される。
このとき光学定数によって変化した成分は、偏光子２や補償子２３、２４を回転させた場合や、ミラー２２を移動させた場合に変化する干渉縞を偏光子６の回転によって抽出し解析して行い、表面形状や付着物による凹凸は干渉縞解析法によって、それぞれ解析を行う。
【００６４】
なお、上記各実施形態で説明をしなかったが、物体反射光と参照光の光強度が異なって干渉縞のコントラストが劣化するような場合には、参照光の光路に、偏光子などの偏向手段を配置し、偏光手段をその光軸を中心に、モータなどで回転調整可能とすることができる。上記偏光手段の回転によって透過可能な偏向軸方向が変化して、強度を調整することが可能になり、上記干渉縞のコントラスト劣化を防止することができる。
【００６５】
以上、本発明について上記各実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は、上記説明の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の測定原理を説明するための試料表面での位相変化を示す図である。
【図２】同じく、装置による位相シフトを説明する図である。
【図３】同じく、試料としての薄膜における光学干渉の結果起こる位相差の変化を示す図である。
【図４】同じく、薄膜における反射によるｓ偏波、ｐ偏波の変化を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態の光学系を示す概略構成図である。
【図６】図５のａ部拡大図であって、試料に対する光照射部の詳細を示す一部拡大図である。
【符号の説明】
【００６７】
１    レーザ光源
２    偏光子
３    ハーフミラー
４    ミラー
５    ハーフミラー
６    偏光子
７    アレイＣＣＤ
８    コンピュータ
１０    レーザ光
１１    物体照射光
１１ａ  物体反射光
１２    参照光
１３    重ね合わせ光
２０    プリズム
２１    ピエゾアクチュエータ
２２    ミラー
２３    補償子
２４    補償子
３０    試料
３１    基板
【図１】
2008082811.tif 000014
【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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