(57)【要約】【課題】駆動部が無く、小型で高速な偏光解析装置およびエリプソメータを提供する。【解決手段】偏光子の光軸が互いに異なるストライプ状の領域を有する偏光子アレイ１枚と、リターデーションが一定で光軸が互いに異なるストライプ状の領域を有する波長板アレイ１枚とを、互いのストライプが直交するように重ね、マトリックス状の交差部分を通過した光の強度をそれぞれ個別に計測できるような受光素子アレイを配置する。または、偏光子の光軸が互いに異なるストライプ状の領域を有する偏光子アレイ１枚と、光軸方向が一定で位相差が互いに異なるストライプ状の領域を有する波長板アレイを１枚とを、互いのストライプが直交するように重ね、マトリックス状の交差部分を通過した光の強度をそれぞれ個別に計測できるような受光素子アレイを配置する。【選択図】図３
2005114704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過光に与える位相差は一様で光軸方向が異なる複数の領域を有する波長板アレイと、透過する偏波の方向が異なる複数の領域を有する偏光子アレイとを有し、前記の波長板アレイと前記の偏光子アレイがそれぞれ重なるように配置され、前記波長板の特定の領域と前記偏光子の特定の領域を通過した光を個別に受光することのできるような受光素子アレイを配置したことを特徴とする偏光解析装置。  
【請求項２】
透過光に与える位相差は一様で光軸方向が個々に異なる少なくとも２つ以上のストライプ状の領域を有する波長板アレイと、透過する偏波の方向が異なる少なくとも２つ以上のストライプ状の領域を有する偏光子アレイとを有し、前記の波長板アレイと前記の偏光子アレイとが前記ストライプを互いに交差させるように配置され、各交差領域を通過する光を個別に受光することのできるような受光素子アレイを配置したことを特徴とする偏光解析装置。
【請求項３】
前記波長板アレイおよび前記偏光子アレイが、積層方向には各層の形状が周期的であり、かつ各層の形状が領域毎に決まる面内の一方向に繰り返される周期的な凹凸形状を有する誘電体多層膜からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の偏光解析装置。
【請求項４】
光軸方向は一様で透過光の位相差が異なる複数の領域を有する波長板アレイと、透過する偏波の方向が異なる複数の領域を有する偏光子アレイとを有し、前記の波長板アレイと前記の偏光子アレイがそれぞれ重なるように配置され、前記波長板の特定の領域と前記偏光子の特定の領域を通過した光を個別に受光することのできるような受光素子アレイを配置したことを特徴とする偏光解析装置。
【請求項５】
光軸方向が一様で透過光の位相差が異なる少なくとも２つ以上のストライプ状の領域を有する波長板アレイと、透過する偏波の方向が異なる少なくとも２つ以上のストライプ状の領域を有する偏光子アレイとを有し、前記の波長板アレイと前記の偏光子アレイとが前記ストライプを互いに交差させるように配置され、各交差領域を通過する光を個別に受光することのできるような受光素子アレイを配置したことを特徴とする偏光解析装置。
【請求項６】
前記波長板アレイが積層方向には形状が周期的であり、かつ領域毎に決まる繰返し周期をもち共通の一方向に周期的な凹凸形状を有する誘電体多層膜からなり、前記偏光子アレイが、積層方向には各層の形状が周期的であり、かつ各層の形状が領域毎に決まる面内の一方向に繰り返される周期的な凹凸形状を有する誘電体多層膜からなることを特徴とする請求項４または請求項５記載の偏光解析装置。
【請求項７】
請求項１から請求項３のいずれかの項記載の偏光解析装置、および請求項４から請求項６のいずれかの項記載の偏光解析装置を併せ持ち、計測する光ビームをそれぞれの偏光解析装置に入射することを特徴とする偏光解析装置。
【請求項８】
前記波長板アレイと前記偏光子アレイの間および前記偏光子アレイと前記受光素子アレイとの間の片方または両方に光吸収性の層を設けるか、または前記波長板アレイと前記偏光子アレイおよび前記受光素子アレイの各領域の境界に透明領域または不透明領域を形成することによって、不要な多重反射光を減衰させることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかの項記載の偏光解析装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれかの項記載の偏光解析装置において、前記波長板アレイおよび前記偏光子アレイの周辺領域に透明領域を設けるか、もしくは前記波長板アレイと前記偏光子アレイの各領域の境界部分の一部に透明領域を設けることにより、各波長板領域および各偏光子領域を通過した光の強度分布と同時に、入射光の強度分布および前記波長板アレイおよび前記偏光子アレイの透過損失分布を計測し、測定結果を補正するような偏光解析装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれかの項記載の偏光解析装置において、前記波長板アレイおよび前記偏光子アレイの各領域の境界部分に遮光部分を設けるか、または前記波長板アレイと前記偏光子アレイの各領域の境界部分に対応した受光素子アレイの領域を遮光することによって、前期の境界部分における光の回折や散乱の影響を抑圧することを特徴とする偏光解析装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかの項記載の偏光解析装置を平面内に複数配置することにより、入射光ビームの位置変動による測定エラーを回避することを特徴とする偏光解析装置。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１のいずれかの項記載の偏光解析装置を用いることを特徴とする光計測装置または光計測方式。
【請求項１３】
測定試料に対して偏光した光を所定角度で入射させ、測定試料からの反射光を、請求項１から請求項１１のいずれかの項記載の偏光解析装置に導入し、受光素子アレイで得られた光強度分布から、Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分の振幅反射率比を求めることを特徴とするエリプソメータ。
【請求項１４】
真空薄膜形成装置において、薄膜堆積中の基板表面に偏光した光を所定角度で入射させ、基板表面からの反射光を、請求項１から請求項１１のいずれかの項記載の偏光解析装置に導入し、受光素子アレイで得られた光強度分布から、Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分の振幅反射率比を求めることを特徴とするエリプソメータ。
【請求項１５】
請求項１３または請求項１４記載のエリプソメータによって得られた膜厚および膜質情報を、成膜速度あるいは成膜時間の制御装置にフィードバックすることを特徴とする膜厚および膜質制御装置。
【請求項１６】
少なくとも２つ以上の請求項１３または請求項１４記載のエリプソメータを有し、基板の異なる位置の膜厚および膜質を場所ごとに計測して得られた情報を、膜厚および膜質分布補正制御装置にフィードバックすることを特徴とする膜厚および膜質制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の偏光解析装置、それを利用して薄膜の光学定数および厚さを測定するエリプソメータ、および薄膜形成装置に用いる膜厚制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エリプソメトリは古くから知られている薄膜分析の手法であり、薄膜試料からの反射光の偏光解析、すなわち電界が入射面に平行な成分（ｐ偏波）の反射率Ｒｐと垂直な成分（ｓ偏波）の反射率Ｒｓとの比ρを測定することより試料の光学定数あるいは膜厚を知ることができる。ρは一般には複素数であり、ρ＝Ｒｐ／Ｒｓ＝ｔａｎ（Ψ）×ｅｘｐ（ｊΔ）と表すことができる。つまりエリプソメトリでは、この振幅比Ψと位相差Δを求めることになる。このΨ、Δはエリプソパラメータまたはエリプソメトリ角と呼ばれるものである。反射振幅比ρは膜の光学定数（ｎ）、厚さ（ｄ）によって決まる値であることから、逆にρから光学定数、厚さを求めることが可能となる。
【０００３】
ΨとΔを求める基本的な方法として消光法が知られている（非特許文献１）。これは、光源から試料に対して斜めに、かつＰ偏波とＳ偏波の強度比がほぼ等しい直線偏波を入射し、その反射光（一般には楕円偏波）を１／４波長板、偏光子の順に通して受光器で受けるものである。１／４波長板、偏光子をそれぞれ独立に回転させて、光強度が最小となる回転角度を読むことで、ΨとΔを求めることができるが、この方法は２変数で最小値を探すため、１箇所の測定を行うだけでも多くの時間を必要とする欠点がある。他方、１／４波長板を使わずに、検光子だけを１回転させて各角度での受光強度を測定する方法（回転検光子法）がある。この方法では、受光強度を検光子角度の関数として得られれば、計算によりΨとΔを求めることができる。しかしこの方法は、位相差についてΔと（２π―Δ）の区別、すなわち右周りの楕円偏波か左周りの楕円偏波かの区別が付かないという不都合がある。これを回避するためには、１／４波長板を挿脱するなどして１点の計測に対して２回の測定を行う必要があり、測定時間が多大であることは先の消光比法とあまり変わりがない。
【０００４】
駆動部のないエリプソメータの方式として、光ビームを４つに分岐した後、それぞれのビームを偏光子あるいは波長板と偏光子を通過させ、４つの偏光成分の光強度を計測し、偏波状態を解析する方法が提案されている（特許文献１）。この偏光測定の原理そのものは以前より良く知られているものであり（非特許文献２）、簡便な偏光解析に適している。しかしながら、このような偏光解析装置の光学系は、特許文献１で示されているように多数の個別素子から構成されている。例えば１つのビームスプリッタ、２つの偏光ビームスプリッタ、１つの１／４波長板、４つの偏光子および４つの受光素子で構成されている。これらを精度良くアセンブリすることは非常に難しく、また小型化も難しい。
【０００５】
最近、このような方式の偏光解析装置として、フォトニック結晶を使ったものが提案されている（非特許文献３）。これは積層形の２次元周期構造からなるフォトニック結晶を偏光子として用いており、偏光子の光軸を変えたものを１枚の基板上にモノリシックに集積することができ、部品点数を大幅に低減することができる。これにより、小型化ができる、アセンブリを容易にする、位置精度を向上することができる、といった利点がある。しかしながら、このような４つの偏光成分の強度から偏光状態を求める方式では、薄膜の光学定数や厚さを高精度に測定する要求のあるエリプソメータには適していない。
【０００６】
したがって、駆動部のない、エリプソメータに適した偏光解析装置はこれまで提案がなされていなかった。
【特許文献１】特開平５−１１３３７１号公報
【特許文献２】特開平１０−３３５７５８号公報
【特許文献３】特開２００１−８３３２１号公報
【非特許文献１】応用物理ハンドブック，応用物理学会編（丸善），ｐｐ．２０−２２，１９９０年．
【非特許文献２】結晶光学，応用物理学会光学懇話会編，（森北出版），ｐｐ．１３９−１４０，１９９０年．
【非特許文献３】「フォトニック結晶偏波モニタ」，橋本，佐藤，大寺，電子情報通信学会ソサイエティ大会，Ｃ−３−４２，２００３年９月．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記の問題点を解決するためのものであり、可動部がなく、高速かつ精度の高い測定が行える偏光解析装置およびエリプソメータを提供することにある。さらに薄膜形成における膜厚制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、フォトニック結晶と呼ばれる多次元周期構造からなる人工光学材料を用いた偏光子アレイおよび波長板アレイを用いる。
【０００９】
初めにフォトニック結晶からなる偏光子アレイおよび波長板アレイについて概説する。図１のような周期的な溝列を形成した透明材料基板１０１上に、透明で高屈折率の媒質１０２と低屈折率の媒質１０３とを界面の形状を保存しながら、交互に積層する。各層はｘ方向に周期性があるが、ｙ方向は一様であってもよいしｘ軸方向より大きい長さの周期的または非周期的な構造を有していてもよい。
このような周期構造の形成は、特許文献２に記載されている自己クローニング技術と呼ばれる方式で、再現性、均一性が高く、工業的に微細な周期構造（フォトニック結晶）を作製することができる。
【００１０】
このようにして得られた周期構造体にｘｙ面に垂直あるいは斜め方向から無偏波光または楕円偏光を入射すると、溝列と平行な偏波即ちｙ偏波と、それに直交するｘ偏波とに対して、それぞれＴＥモードとＴＭモードの光が周期構造体の内部に励起される。ＴＥモードとＴＭモードの伝搬定数は、周期構造を構成する材料の屈折率、ｘｙ面の周期、積層周期によって広い範囲で選ぶことができる。
【００１１】
図２（ａ）は高屈折率材料１０２をＳｉ、低屈折率材料１０３をＳｉＯ２とした場合の２次元周期構造の分散曲線の例である。縦軸は波長λの逆数を積層周期Ｌｚで規格化した値、横軸は１周期を伝搬したときの位相変化量ｋｚＬｚをπで規格化した値である。白丸がＴＥ波、黒丸がＴＭ波を示す。Ｌｘは面内方向の周期を表し、ここではＬｚ／Ｌｘ＝１としてある。入射する光の周波数が、バンドギャップの中にあれば、そのモードは周期構造体の中で伝搬することができず、入射光は反射または回折される。一方、光の周波数がエネルギーバンド内にあれば、周期構造体の中を光は透過することができる。周波数領域２０１では、ＴＥ波はバンドギャップとなり反射され、ＴＭ波は伝搬域であるため透過され、従って偏光分離素子（特許文献３）として動作する。周波数領域２０２は、ＴＥ波が透過し、ＴＭ波が反射される偏光子として動作する。また周波数領域２０３では、ＴＥ波とＴＭ波ともに伝搬域となり、透過する。しかし、曲線がずれていることから分かるように伝搬定数が異なり、位相差を与える波長板として動作することになる。曲線のずれ量や積層数を調整することにより、任意の位相差を与えるように設計可能であり、例えば位相差がπ／２となるようにすれば、１／４波長板として動作させることができる。
【００１２】
溝の周期や方向は１枚の基板内の領域毎に独立に変えることができ、フォトニック結晶の特性を領域毎に変えることができる。これをマルチパタンフォトニック結晶と呼ぶことができる。例えば、偏光子であれば領域毎に光軸方向を変えることができ、また波長板であれば、光軸方向や位相差を変えることができる。このようにして、本特許で用いる波長板アレイや偏光子アレイを形成することができる。
【００１３】
フォトニック結晶を構成する低屈折率媒質としては、ＳｉＯ２を主成分とする材料が最も一般的であり、透明波長領域が広く、化学的、熱的、機械的にも安定であり、成膜も容易に行なえる。また、低屈折率媒質としてはその他の光学ガラス、例えばＭｇＦ２のようなより屈折率の低い材料を用いてもよい。高屈折率材料としては、Ｓｉ、Ｇｅなどの半導体や、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＨｆＯ２、Ｓｉ３Ｎ４などの酸化物や窒化物を用いることができる。半導体材料は屈折率が大きいため、大きなバンドキャップが得られるという利点があるが、利用波長域は近赤外に限定される。一方、酸化物や窒化物は透明波長範囲が広く、可視光領域でも使用することが可能となる。
【００１４】
次にフォトニック結晶偏光子あるいは波長板の一般的な作製方法を示す。まず、基板上に電子ビームリソグラフィとドライエッチングにより、図１に示すような周期的な溝を基板１０１上に作製する。その他のフォトリソグラフィや干渉露光、金型によるスタンピング技術を用いても良い。溝の断面形状は矩形であるが、三角形など他の形でも良い。基板としては石英ガラス、その他の光学ガラスなどが使用できる。凹凸のピッチは入射する光の波長の半分程度、例えば０．８μｍの光では０．４μｍ程度、溝の深さは０．２μｍ程度である。この基板上に、Ｔａ２Ｏ５およびＳｉＯ２ターゲットを用い、スパッタデポジションとバイアススパッタリングを組み合わせて交互多層膜を積層する。このとき、各層のｘ軸方向に周期的な凹凸形状が保存されるように、バイアス条件を適切に設定することが肝要である。条件の一例は次の通りであった。Ｔａ２Ｏ５層の成膜では、ガス圧２ｍＴｏｒｒ、ターゲット印加高周波電力３００Ｗ、ＳｉＯ２層の成膜では、ガス圧６ｍＴｏｒｒ、ターゲット印加高周波電力３００Ｗ、スパッタエッチングはＳｉＯ２層成膜後行ない、ガス圧２ｍＴｏｒｒ、基板印加高周波電力９０Ｗである。
【００１５】
請求項１に関わる偏光解析装置は、透過する偏波の方向が異なる複数の領域を有する偏光子アレイと、透過光に与える位相差は一定で、かつ光軸方向が異なる複数の領域を有する波長板アレイとを有し、前記波長板アレイを前面、前記偏光子アレイを後面として重なるように配置され、波長板のある領域と偏光子のある領域を通過した光を個別に受光することのできるような受光素子アレイを２次元的に配置したことを特徴としたものである。ここで、波長板アレイと偏光子アレイおよび受光素子アレイは直接貼り合わせて一体化することも可能であるが、各アレイ間にリレーレンズを配置して、それぞれのアレイ透過後の像を次のアレイへと結像させてもよい。また、全偏波状態にわたって高精度な偏波解析を実現するためには、波長板アレイの各領域の位相差は１／４波長（π／２ラジアン）であり、波長板アレイの光軸方向および偏光子アレイの光軸方向は少なくとも０°から１８０°の範囲を網羅していることが望ましい。さらに、偏光子アレイおよび波長板アレイの領域の分割数が多いほど測定精度は高くなる。
【００１６】
請求項２に関わる偏光解析装置は、透過する偏波の方向が異なる少なくとも２つ以上のストライプ状の領域を有する偏光子アレイと、透過光に与える位相差は一定で、かつ光軸方向が異なる少なくとも２つ以上のストライプ状の領域を有する波長板アレイとを有し、前記波長板アレイを前面、前記偏光子アレイを後面として各々のストライプが交差するように配置され、各交差部分を通過する光を個別に受光することのできるような受光素子アレイを配置したことを特徴とするものである。請求項１の場合と同様に、波長板アレイと偏光子アレイおよび受光素子アレイは直接貼り合わせて一体化することも可能であるが、各アレイ間にリレーレンズを配置して、それぞれのアレイ透過後の像を次のアレイへと結像させてもよい。また、全偏波状態にわたって高精度な偏波解析を実現するためには、波長板アレイの各領域の位相差は１／４波長（π／２ラジアン）であり、波長板アレイの光軸方向および偏光子アレイの光軸方向は少なくとも０°から１８０°の範囲を網羅していることが望ましい。さらに、偏光子アレイおよび波長板アレイのストライプ状の領域の数は多いほど測定精度が高くなる。
【００１７】
請求項３に関わる偏光解析装置は、前記偏光子アレイおよび前記波長板アレイが、積層方向には各層の形状が周期的であり、かつ各層の形状が領域毎に決まる面内の一方向に繰り返される周期的な凹凸形状を有する誘電体多層膜からなることを特徴とする請求項１または２記載の偏光解析装置である。
【００１８】
請求項４に関わる偏光解析装置は、透過する偏波の方向が異なる複数の領域を有する偏光子アレイと、光軸方向が一様であり透過光の位相差が異なる複数の領域を有する波長板アレイを有し、前記波長板アレイを前面、前記偏光子アレイを後面としてそれぞれ重なるように配置され、波長板のある領域と偏光子のある領域を通過した光を個別に受光することのできるように光素子アレイを配置したことを特徴とするものである。ここで、波長板アレイと偏光子アレイおよび受光素子アレイは直接貼り合わせて一体化することも可能であるが、各アレイ間にリレーレンズを配置して、それぞれのアレイ透過後の像を次のアレイへと結像させてもよい。また、全偏波状態にわたって高精度な偏波解析を実現するためには、波長板アレイの各領域の位相差は０°から３６０°の範囲を網羅しており、偏光子アレイの主軸角度は０°から１８０°の範囲を網羅していることが望ましい。さらに、偏光子アレイおよび波長板アレイの領域の分割数が多いほど測定精度は高くなる。
【００１９】
請求項５に関わる偏光解析装置は、透過する偏波の方向が異なる少なくとも２つ以上のストライプ状の領域を有する偏光子アレイと、光軸方向が一様であり透過光の位相差が異なる少なくとも２つ以上のストライプ状の領域を有する波長板アレイを有し、前記波長板アレイを前面、前記偏光子アレイを後面として各々のストライプが交差するように配置され、各交差部分を通過する光を個別に受光することのできるように光素子アレイを配置したことを特徴とするものである。請求項４の場合と同じく、波長板アレイと偏光子アレイおよび受光素子アレイは直接貼り合わせて一体化することも可能であるが、各アレイ間にリレーレンズを配置して、それぞれのアレイ透過後の像を次のアレイへと結像させてもよい。また、全偏波状態にわたって高精度な偏波解析を実現するためには、波長板アレイの各領域の位相差は０°から３６０°の範囲を網羅しており、偏光子アレイの主軸角度は０°から１８０°の範囲を網羅していることが望ましい。さらに、偏光子アレイおよび波長板アレイの領域の分割数が多いほど測定精度は高くなる。
【００２０】
請求項６に関わる偏光解析装置は、前記偏光子アレイが、積層方向には各層の形状が周期的であり、かつ各層の形状が領域毎に決まる面内の一方向に繰り返される周期的な凹凸形状を有する誘電体多層膜からなり、前記波長板アレイが積層方向には形状が周期的であり、かつ領域毎に決まる繰返し周期をもち、かつ共通の一方向に周期的な凹凸形状を有する誘電体多層膜からなることを特徴とする請求項４または５記載の偏光解析装置である。
【００２１】
請求項７に関わる偏光解析装置は、請求項１、２または３記載の偏光解析装置と、請求項４、５または６記載の偏光解析装置とを併せ持ち、計測する光ビームをそれぞれの偏光解析装置に入射することを特徴とする偏光解析装置である。
【００２２】
請求項８に関わる偏光解析装置は、前記波長板アレイと前記偏光子アレイとの間、および前記偏光子アレイと前記受光素子アレイとの間のどちらか一方または両方に光吸収性の層を設けるか、または前記波長板アレイおよび前記偏光子アレイあるいは前記受光素子アレイの各領域の境界に透明領域もしくは不透明領域を形成することによって、不要な多重反射光を減衰させることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかの項記載の偏光解析装置である。
【００２３】
請求項９に関わる偏光解析装置は、請求項１から請求項８のいずれかの項記載の偏光解析装置において、前記波長板アレイと前記偏光子アレイの周辺部分に透明領域を設けるか、または前記波長板アレイと前記偏光子アレイの各領域の境界部分の一部に透明領域を設けて受光素子アレイと組み合わせることによって、本来測定したい偏光子と波長板を通過した後の光強度分布とともに、入射光の強度分布や偏光子アレイおよび波長板アレイの透過損失分布を同時に測定し、測定結果を補正することを特徴とする偏光解析装置である。
【００２４】
請求項１０に関わる偏光解析装置は、請求項１から請求項９のいずれかの項記載の偏光解析装置において、前記波長板アレイおよび前記偏光子アレイの各領域の境界部分からの回折光および散乱光の影響を抑圧するために、前記波長板アレイおよび前記偏光子アレイの各領域の境界部分に遮光領域を設けるか、あるいは前記波長板アレイおよび前記偏光子アレイの境界部分に対応した受光素子アレイの領域を遮光することを特徴とする偏光解析装置である。当然ながら、前記波長板アレイおよび前記偏光子アレイの境界部分の遮光と、受光素子アレイの対応する領域の遮光の両方を同時に行っても良い。
【００２５】
請求項１１に関わる偏光解析装置は、請求項１から請求項１０のいずれかの項記載の偏光解析装置を面内に複数個配置することにより、入射光ビームの位置変動による測定エラーを回避することを特徴とする偏光解析装置である。
【００２６】
請求項１２に関わる光計測装置または光計測方式は、請求項１から請求項１１のいずれかの項記載の偏光解析装置を用いることを特徴とするものである。
【００２７】
請求項１３に関わるエリプソメータは、測定試料に対して特定波長の偏光した光を所定角度で入射させ、測定試料からの反射光を、請求項１から請求項１１のいずれかの項記載の偏光解析装置に導入し、受光素子アレイで得られた光強度分布から、Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分の振幅反射率比を求めることを特徴とするエリプソメータである。この場合、資料からの反射光以外の光を除去して測定精度を向上させるために、前記の偏光解析装置の前に入射光の波長に対応した光波長フィルタを挿入することも可能である。
【００２８】
請求項１４に関わるエリプソメータは、真空薄膜形成装置において、薄膜堆積中の基板表面に特定波長かつ特定の偏光状態の光を所定角度で入射させ、基板表面からの反射光を、請求項１から請求項１１のいずれかの項記載の偏光解析装置に導入し、受光素子アレイで得られた光強度分布から、Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分の振幅反射率比を求めることを特徴とするエリプソメータである。この場合、資料からの反射光以外の成膜装置内の放射光や散乱光を除去するために、前記の偏光解析装置の前に入射光の波長に対応した光波長フィルタを挿入することが望ましい。
【００２９】
請求項１５関わる膜厚および膜質制御装置は、請求項１３または請求項１４記載のエリプソメータによって得られた膜厚および膜質情報を、成膜速度あるいは成膜時間の制御装置にフィードバックすることを特徴とするものである。
【００３０】
請求項１５に関わる膜厚および膜質制御装置は、少なくとも２つ以上の請求項１３または請求項１４記載のエリプソメータを有し、基板の異なる位置の膜厚および膜質を場所ごとに計測して得られた情報を、膜厚および膜質分布補正制御装置にフィードバックすることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の構造からなる偏光解析装置およびエリプソメータは、駆動部が無く、高速な測定ができ、エリプソパラメータであるΨとΔを高精度で測定することができる。また構成部品は小型であり、位置調整も簡便であることから低コストで実現することができる。したがって、従来は高価な大型装置を用いてオフラインで測定していたものを、１台の薄膜製造装置に複数個のエリプソメータを設置して、オンラインで測定することも可能になる。薄膜製造の制御あるいは品質管理用に適しており、従来の方法を置き換えることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
ここでは、本発明の請求項１から６を実施するための最良の形態である、自己クローニング型フォトニック結晶からなる偏光子アレイと、同じく自己クローニング型フォトニック結晶からなる波長板アレイ、および受光素子アレイの組み合わせによって構成される偏光解析装置について説明する。この偏光解析装置を使用することにより、小型で信頼性の高いエリプソメータを実現することができ、例えば薄膜プロセス中における膜厚・膜質のモニタリングや成膜制御が可能となる。
【００３３】
フォトニック結晶偏光子、およびフォトニック結晶波長板は図１の構成からなり、２次元の溝パターンを形成した基板１０１上に２つの無機材料１０２および１０３を自己クローニング成長させることによって作成される。このような構造では、基板１０１上に作成する溝の周期、成膜に用いる材料、各層の周期などを制御することにより、光の屈折率やフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）の帯域などの諸特性を自在に設計できる。この特徴を利用して、設計パラメータを適当に選ぶことにより、ある特定波長の光に対して、一方の偏波（ＴＭ：基板パターンに垂直な偏波）は透過させ、もう一方の偏波（ＴＥ：基板パターンに平行な偏波）は遮断するような偏光子（偏光分離素子）を作成することができるだけでなく、２つの偏波間に任意の位相差を与えるような波長板を作成することも可能である。
【００３４】
本発明の請求項１から請求項３で表した『波長板角度変化型』の偏光解析装置を実現する構成例を図３に示す。波長板アレイ３０１、および偏光子アレイ３０２は自己クローニング型フォトニック結晶を用いて構成されており、図のような複雑な構造をそれぞれ一度のプロセスで製作することができる。フォトニック結晶波長板アレイ３０１は、溝の方向（波長板の光軸の向き）を少しずつ変化させた領域がＭ個配列されたものであり、それぞれの領域のリターデーション量（ＴＭ光とＴＥ光の位相差）は一定となるように設計されている。同様にフォトニック結晶偏光子アレイ３０２も溝の方向（遮断される偏波の方向）を少しずつ変化させた領域がＮ個配列されたものであり、それぞれの領域の偏波消光比は十分に高くなるように設計されている。図ではｘ軸方向を水平方向、ｙ軸方向を垂直方向とし、波長板と偏光子の軸の角度はｘ軸を基準として０°から１８０°まで徐々に変化させたが、基準軸の取り方や角度の範囲は任意である。また、図では結晶軸の異なる領域を、波長板アレイ３０１についてはｘ方向（横方向）に、偏光子アレイ３０２についてはｙ方向（縦方向）にそれぞれ角度が徐々に変化するように配列したが、波長板と偏光子の配列方向が交差するようにすれば、配列方向や配列順は任意である。このような波長板アレイと偏光子アレイを互いに直行するように貼り合わせ、その後方に受光素子アレイ３０３を配置し、波長板アレイと偏光子アレイのそれぞれの重ねあわせによって作られるＭ×Ｎ個の領域を透過した光の強度をそれぞれ個別に計測する。受光器アレイとしては、ＣＣＤなどの既存の部品を用いることができ、十分に小型のデバイスが実現できる。
【００３５】
入射光は上記の偏光解析装置より十分に大きなスポットサイズで入射されるものとする。入射光は波長板アレイによってそれぞれの領域ごとに偏波状態が変換された後、偏光子アレイのそれぞれの領域の軸の方向で定まる特定の偏波成分だけが透過することになる。したがって、受光素子アレイの一つ一つの受光素子は、それぞれ違った角度の波長板、偏光子を透過した光を検出することになり、それぞれの受光素子が検出する光の強度を解析することにより、入射光の偏光状態を２次元的に把握することが可能となる。
【００３６】
このような波長板角度変化型の偏光解析装置において、波長板アレイの位相差をπ／２（１／４波長）とし、波長板アレイおよび偏光子アレイの分割数を１６とした場合に、２５６素子の検出器アレイが感じる光の強度分布のシミュレーション結果の例を図４に示す。ここでは１／４波長板アレイの各領域の主軸角度を０゜から１８０゜まで１２゜ずつ変化させて縦軸方向に配列し、偏光子アレイの各領域の主軸角度（透過する偏波の角度）も同じく、０゜から１８０゜まで１２゜ずつ変化させて横軸方向に配列した場合のシミュレーション結果を示した。結果からもわかるように、入射光の偏光状態に応じて検出器で検出される光の強度分布形状が変化することから、得られる強度分布パターンを解析することにより、入射光の偏光状態を判別することができる。これは、従来の回転１／４波長板や回転偏光子を用いた消光型のエリプソメータと比較して、装置の小型化や測定時間の短縮、および測定精度の向上に大きな効果が期待できる。
【００３７】
次に、本発明の請求項４から請求項６で表した『波長板位相差変化型』の偏光解析装置を実現する構成例を図５に示す。波長板アレイ５０１および偏光子アレイ５０２は、自己クローニング型フォトニック結晶によって形成されており、図のような複雑な構造を容易に実現することができる。偏光子アレイ５０２は既に述べた図３（請求項１から請求項３）と同じものであり、溝の方向（遮断される偏波の方向）を少しずつ変化させた領域がＮ個配列されており、それぞれの領域の偏波消光比は十分に高くなるように設計されている。一方、波長板アレイ５０１については全ての領域で溝の向き（光軸の向き）が同じであり、それぞれの領域のリターデーション量をＭ通りに変化させたものである。図では、波長板アレイの光軸はｘ軸（水平方向）に対して４５゜となるようにしたが、０゜や９０゜など任意の角度に設定してよい。また、波長板角度変化型（図３）の場合と同じように、基準軸の取り方や、アレイの配列方向、配列順、偏光子アレイの主軸の角度範囲および波長板アレイの位相差の範囲は任意である。このような波長板アレイと偏光子アレイを互いに直交するように貼り合わせ、その後方に受光素子アレイ５０３配置し、波長板アレイと偏光子アレイのそれぞれの重ねあわせによって作られるＭ×Ｎ個の領域を透過した光の強度をそれぞれ個別に計測する。この波長板位相差変化型の偏光解析装置の場合も、上述の波長板角度変化型の場合と同様に、受光素子アレイのそれぞれの受光素子が受光する光の強度を解析することにより、入射光の偏光状態を２次元的に把握することが可能である。
【００３８】
位相差変化型の偏波解析装置において、波長板アレイおよび偏光子アレイの分割数をそれぞれ１６とし、偏光子アレイの主軸は０°から１８０°まで１２°ずつ変化させ、波長板アレイのリターデーション量は０°から３６０°まで２４°ずつ変化させた場合の、受光素子アレイが感じる光の強度分布の一例を図６に示す。図４の場合と同様に、横軸に偏光子の主軸角度（透過する偏波の向き）、縦軸に波長板のリターデーション量を取り、２５６素子の受光器が感じる光強度をシミュレーションによって求めた。この場合においても入射光の偏光状態に応じて検出器で検出される光の強度分布が変化することから、得られる強度分布パターンを解析することにより、入射光の偏光状態を判別することができる。これは、従来の位相変調器を用いた回転検光子型のエリプソメータと比較して、装置の小型化や測定時間の短縮、および測定精度の向上に大きな効果が期待できる。
【００３９】
次に、これらの波長板角度変化型、および波長板位相差変化型の偏光解析装置を用いた場合の偏光解析の手法について説明する。既に述べたように本発明では、波長板アレイと偏光子アレイを用いて入射光をさまざまな偏光状態成分に分割し、受光素子アレイを用いてそれぞれの偏光成分の強度を測定する。波長板と偏光子を通過した光の偏光状態は図２２の式２２０１ように表すことができ、測定される強度分布パターンの形状は偏光状態に依存することがわかる。従って測定される強度分布パターンを解析することにより、逆に入射光の偏光状態を判定できることになる。このパターン解析手法として、最も単純な方法である、強度分布パターンのピーク（最大値）もしくはボトム（最小値、暗点）を検出する方法について以下に簡単に解説する。この方法は従来の消光法を用いたエリプソメータにおいて、波長板および偏光子の角度を回転させて消光点を求めることに対応する。
【００４０】
波長板角度変化型、波長板位相差変化型の場合どちらの偏光解析装置についても、波長板アレイおよび偏光子アレイの角度範囲を適切に選べば、測定される強度分布パターンは必ず２つのピーク（山）と２つのボトム（谷）を持ち、その位置は入射偏波に依存する。したがって、このピーク位置もしくはボトム位置を検出することができれば、偏光状態が特定できることになる。実際には入射光の強度が時間的に変動する場合や、入射光のビームプロファイルがアレイの全範囲にわたって均一でない場合も考えられることから、ピークを検出するよりも強度が最小になる点を検出するほうが容易であるため、以下ではゼロ点検出法の場合について述べるが、最大値検出法についても全く同様の理論が成り立つ。
【００４１】
理想的に波長板アレイおよび偏光子アレイの分割数を無限に大きくできれば、測定される強度分布パターンの最小点（暗点）位置を正確に知ることができるが、実際のアレイでは分割数が有限であるため、得られるボトム（最小値）位置にはアレイの分割数に対応した誤差がある。例として、波長板角度変化型の偏波解析装置において、波長板アレイと偏光子アレイの主軸角度を０°から１８０°まで１２°ずつ変化させたとき（１６分割）と、１°ずつ変化させたとき（１８１分割）２通りについて、水平方向の直線偏波が入射した場合の強度分布のシミュレーション結果を図７に示す。図からわかるように、１８１分割の場合は２つの暗点（白点および矢印で示した）が±１°の精度で求まるが、１６分割の場合は分割が荒いため、暗点位置を正確に知ることが難しくなる。暗点位置の分解能を高めるためにはアレイの分割数が多ければ多いほど良いことになるが、実際の製造やコストを考慮すると、できるだけ少ない分割数で実現できたほうが望ましい。
【００４２】
より少ない分割数で正確に光強度が最小となる位置を求めるためには、観測されるとびとびの強度分布を補間し、計算によって連続な強度分布を求める方法が有効である。例として、波長板位相差変化型の偏波解析装置において、波長板アレイは主軸角度を水平方向に対して４５°とし、位相差を０°から３６０°まで２４°ずつ変化させ（１６分割）、偏光子アレイは主軸角度を０°から１８０°まで１２°ずつ変化させた（１６分割）場合について考える。この偏光解析装置に右回り円偏波が入射した場合の、観測される強度分布、および得られる結果をスプライン補間した連続的な強度分布のシミュレーション結果を図８に示す。図からも明らかなように、強度分布を補間することによって、アレイの分割数を増やした場合と比較しても遜色なく、連続的な強度分布が得られることがわかる。この補間後のデータを元に、強度が最小となる点（白点で示した）を近似計算により求めることができるため、少ない分割数でも正確な偏波状態を判定することが可能となる。補間によって求める暗点の位置精度はアレイの分割数と相関があるため、装置の要求される精度をもとに、アレイの分割数を決定すればよい。また、先にも少し触れたが、実際の使用を考えた場合、入射ビームは通常ガウス型であるため、光強度をアレイの全平面にわたって均一にすることは難しく、面内に強度分布が存在してしまう。また、偏光解析装置を構成するための波長板アレイや偏光子アレイ等の部品に損失分布が存在することもあり得る。このような光の強度分布や損失分布がある場合についても、暗点検出法では比較的精度良く偏波状態が測定できる点が特徴である。さらに高精度な計測のためには、得られたデータを２次曲線近似などにより補正したり、請求項９で記したように入射光の強度分布や波長板アレイや偏光子アレイの透過損失分布を補正したりする方法を採用することも有効である。
【００４３】
以上のように、本発明では受光素子アレイによって検出される光の相対的な強度分布をもとに瞬時に偏光状態が判別できるため、光強度の絶対値についての情報を必要としない。例えば、入射光が微弱である場合や、光の強度変動がある場合においても、問題なく測定が行えることが特徴である。
【実施例】
【００４４】
（実施例１）
請求項１から請求項６の偏光解析装置において、波長板アレイと偏光子アレイを一体化させた例を図９に示す。基板９０４上に溝パターンを形成し、多層膜９０３を積層させことにより偏光子アレイを作成する。この偏光子アレイ層の最終層９０２をやや厚く積層させ、同時にスパッタエッチングを強くかけると、自己クローニングによって形成された凹凸が消滅し、平らな表面が出来上がる。表面を平滑化するのに機械的な研磨を用いても特に問題ない。その後、再びリソクラフィーで波長板用のライン＆スペースパターンを新たに形成し、自己クローニングにより多層膜５０１を積層させて波長板アレイを作成する。偏光子アレイと波長板アレイのパターンの位置あわせには、あらかじめ基板の一部に位置決め用のマーカーをつけて置けば良い。このようにして、偏光子アレイと波長板アレイを一体形成することができれば、受光素子アレイ９０５と組み合わせることにより、より小の偏光解析装置を実現できる。
【００４５】
（実施例２）
請求項１から請求項６の偏光解析装置において、波長板アレイと偏光子アレイを一体化させるもう一つの例を図１０に示す。この場合、基板１００２の表裏にそれぞれ溝パターンを形成し、波長板アレイ層６０１と偏光子アレイ６０３層を自己クローニングによって形成することにより一体化を実現している。パターンの位置合わせのためには、基板６０２に、ＳｉＯ２などの透明基板を用い、位置合わせ用のマーカーを付けておけばよい。この一体化波長板／偏光子アレイと受光素子アレイ１００４と組み合わせることによって、小型の偏光解析装置を実現できる。
【００４６】
（実施例３）
図４および図６からも明らかであるが、波長板角度変化型および波長板位相差変化型のいずれの偏光解析装置についても、ある特定の偏波が入射した場合に強度がゼロとなる位置が点とはならずに線となって現れる。例えば、角度変化型（図４）の場合は、右回り、左回りの円偏波の光が入射した場合、位相差変化型（図６）の場合は、波長板の主軸角度と同じ方向、もしくは直交する方向の直線偏波光が入射した場合に、強度分布が線状になる。偏波解析アルゴリズムとして前述の暗点検出法を採用する場合、これらの特異点とその近傍の偏光状態については、ボトム位置（もしくはピーク位置）が一点に定まらなくなるため、偏光状態の判定が難しくなる。
【００４７】
そこで、本発明の請求項７の実施例として、波長板角度変化型の偏光解析装置と波長板位相差変化型の偏光解析装置を組み合わせて相補的に用いる方法を図１１に示す。主軸角度変化型の１／４波長板アレイ１１０１とリターデーション量（位相差）変化型の波長板アレイ１１０２を同一基板上に形成し、偏光子アレイ１１０３と組み合わせ、光検出器アレイ１１０４によって光の強度分布を計測する。自己クローニング型フォトニック結晶ではさまざまなパターンを同一プロセスで作り込むことが可能であるため、図のような複雑なパターンについても容易に製作可能である。図ではそれぞれの領域をｙ軸方向に並べたが、それぞれの領域を配置する位置や順序については任意である。この場合、一方の領域において強度分布が線状になり偏光状態の判別が難しくなった場合においても、もう一方の領域ではゼロ点位置を正確に求めることが可能であるため、すべての偏波状態の判定が問題なく行えることになる。このような複雑な構成についても、フォトニック結晶を用いることにより十分に小型で、しかも簡単なプロセスによって実現できることが本発明の利点である。
【００４８】
（実施例４）
請求項１から請求項７の偏光解析装置は偏光子アレイと波長板アレイおよび受光素子アレイの３つの平面デバイスの組み合わせによって構成されるものであるため、偏光子と波長板および受光素子の間における光の多重反射が問題となる可能性がある。この多重反射の影響を避ける方法として、請求項８の実施例の一つを図１２に示す。図１２では、波長板アレイ１２０１と偏光子アレイ１２０２および受光素子アレイ１２０５の断面を示した。この場合、波長板アレイ１２０１には、溝パターン１２０３域が一定の間隔ごとに形成されており、波長板として機能する領域は溝パターンの存在する領域だけである。溝のないその他の領域は単なる多層膜となり光に対して透明もしくは不透明となる。同様に偏光子アレイ基板１２０２についても、偏光子パターン１２０４が形成されているのは一部分のみであり、その他の領域では光に対して透明もしくは不透明となる。このような２枚の波長板アレイと偏光子アレイを受光素子アレイと組み合わせて、光の入射方向に対して傾けて配置する。図のように、溝パターンのピッチや２つのアレイの間隔および挿入角度を適当に選ぶことにより、偏光子アレイによって反射された光のうち、各面間を多重反射したのち受光素子で検出される成分を大幅に低減することが可能である。
【００４９】
（実施例５）
請求項８の波長板アレイと偏光子アレイおよび受光素子アレイの間での光の多重反射の影響を低減する方法について、もう一つの実施例を図１３に示す。これは光の吸収をもつ基板１３０１および１３０２を波長板アレイ１３０３と偏光子アレイ１３０４の間、あるいは波長板アレイ１３０４と受光素子アレイ１３０５の間に配置した構造である。これらの素子を貼り合わせたり、１枚の基板上に成膜して作製するなどの方法により一体化させたりした場合も同様である。このような構成では、光の透過強度そのものが弱くなってしまうが、通常入射光の強度は光検出器の感度と比較して十分に強いと考えられるため、実用上の問題はない。偏光子アレイ１３０４や受光素子アレイ１３０５などで反射された光は、吸収層１３０１および１３０２内を伝播するうちに吸収され次第に弱くなるため、再び反射されて検出器で検出される成分を十分に小さくすることができる。
【００５０】
（実施例６）
請求項９の実施例として、波長板アレイおよび偏光子アレイの各領域の間に透明領域を設け、入射光強度分布や波長板アレイおよび偏光子アレイの損失分布を測定する構成例を図２３に示す。波長板アレイ２３０１の各領域を互いに離して配列し、同様に偏光子アレイ２３０２の各領域を互いに離して配列する。偏光子アレイもしくは波長板アレイのパターンのない領域は光に対して透明となるように設計しておく。フォトニック結晶を利用する場合、図のような複雑な構造も１度のプロセスで簡単に作成できる。この波長板アレイと偏光子アレイを受光素子アレイ２３０３と組み合わせた場合、それぞれの受光素子は波長板と偏光子の両方を通過した光成分を測定する領域２３０４と、波長板のみを通過した光を測定する領域２３０５と、偏光子のみを通過した光を測定する領域２３０６と、波長板と偏光子のどちらも通らない光（透明領域を通過する光）を測定する領域２３０７とに分類することが可能である。領域２３０７で測定される光強度分布によって入射光の強度分布情報を知ることができる。同様に領域２３０５で測定される強度分布から波長板アレイの損失分布が、領域２３０６で測定される強度分布より偏光子アレイの損失分布が評価できる。これらのデータを用いて、測定領域２３０４で測定される強度分布を補正することが可能であり、精度の高い偏波解析が可能となる。
【００５１】
（実施例７）
請求項９の第２の実施例として、波長板アレイおよび偏光子アレイの周辺部に透明領域を設ける例を図２４に示す。波長板アレイ基盤２４０１のうち波長板として機能する部分は中央付近の周期パターンのある領域だけで、その他の周辺領域は透明領域となっている。同様に偏光子アレイ基板２４０２のうち偏光子として機能するのは中央付近だけで、周辺部分は透明領域となっている。このような複雑なパターンも、フォトニック結晶技術を用いることで簡単に形成できる。偏光子アレイおよび波長板アレイはそれぞれ長方形の形状となっており、２つのアレイを重ねた場合にパターンの端が重ならず、どちらか片方のみを通過する光も受光素子へ到達する。このような場合、受光素子アレイ２４０３の領域２４０４が波長板と偏光子の両方を通過した光の強度分布を測定することになる。領域２４０５では波長板のみを通過した光を、領域２４０６では偏光子のみを通過した光をそれぞれ受光することになり、領域２４０７では偏光子と波長板のどちらも通過しなかった光強度を測定する。領域２４０５での測定結果から波長板アレイの損失分布がわかり、領域２４０６の測定より偏光子アレイの損失分布がわかる。また、入射光は通常はガウスビームであると考えられるため、領域２４０７の測定結果から入射光のビームプロファイルも評価することができる。得られた損失分布および入射光の強度分布を用いることにより、測定データの高精度な補正が可能となる。
【００５２】
（実施例８）
本発明の偏光解析装置において使用する波長板アレイおよび偏光子アレイの各領域の境界付近では、構造上光の散乱や回折が避けられないため、光の像が乱れる。このようなアレイの境界付近の光を除去し、より明確な強度分布パターンを得るために、請求項１０の実施例を図２５に示す。波長板アレイ２５０１と偏光子アレイ２５０２の各領域の境界部分には黒線で示した遮光領域２５０３が配置されており、この部分に入射した光は受光素子に到達することができない。あるいは、受光素子アレイ２５０４のうち波長板アレイおよび偏光子アレイの境界部分からの光が入射する領域に遮光領域２５０５を設けることで散乱光および回折光を除去することも可能ある。
【００５３】
（実施例９）
請求項１１の実施例として、本発明の偏光解析装置を４つ平面内に配置し、入射ビームの位置変動による測定エラーを回避する方法の例を図２６に示す。本発明ではフォトニック結晶を利用することにより、十分に小型の偏光解析装置が実現できるため、複数の偏光解析装置を小さな領域に配置することや、複数の偏光解析装置を一体化して１つの装置にまとめることも容易である。偏光解析装置２６０１から２６０４を平面内に並べて配置することにより、入射光ビームが変動した場合も４つのうちのいずれかの領域に光が照射されることになる。入射光ビームのビーム径を適切に設計することにより、どの位置にビームが照射されても、本発明の偏光解析装置１台分から得られる強度分布と同等以上の情報を得るようにすることが可能である。例えば図のように、４つの偏光解析装置の中央領域２５０５に光が入射した場合は、それぞれの領域から１／４ずつの強度分布情報が得られるため、これらの情報を合成して偏光解析を行うことができる。面内に配置する偏光解析装置の数をさらに増やせば、より大きなビーム変動にも対応が可能となる。
【００５４】
（実施例１０）
請求項１３の実施例として、本発明の偏光解析装置とレーザ光源を組み合わせることによって実現されるエリプソメータを図１４に示す。図１４は本発明を用いたエリプソメータのほんの一例であり、本発明を用いてエリプソメータを実現する構成は他にも何通りも考えられる。この図では波長板アレイと偏光子アレイを組み合わせた受光素子１４０３とレーザ光源１４０２が配置された装置の中央に、試料台１４０６が配置されている。レーザからの出射光の偏光状態は予め既知であるとする。試料台１４０６上に測定したい薄膜サンプル１４０１を設置し、レーザ光をサンプル上で集光させると同時に、反射光が平行ビームとなって偏光解析装置の１４０３に達するように、レンズ対１４０４を調整する。サンプルからの反射光を、偏光解析装置１４０３で検出し、ＣＰＵ１４０５によって測定される強度分布から反射光の偏光状態を算出する。エリプソメータでは、光の偏光状態をＰ波とＳ波の振幅強度比（Ψ）と位相差（Δ）で表すのが一般的である。通常は入射光として４５゜の直線偏波光（Ψ＝１、Δ＝０）を用いられ、このときの反射光のΨ´およびΔ´を測定することになる。測定結果より、サンプルにおけるＰ波、Ｓ波のフレネル反射率（Ｒｐ、Ｒｓ）、つまりは薄膜の膜厚と屈折率を求めることができる。
【００５５】
（実施例１１）
請求項１３のもう一つの実施例として、本発明の偏光解析装置を用いて実現できる簡易型の分光エリプソメータを図１５に示した。この場合も実施例６のエリプソメータの場合と同様に、試料台１５０４上に試料基板１５０１をセットし、それぞれ波長の違うレーザ光源群１５０２からの光を照射し、それぞれの波長に対応した受光ヘッド群１５０３を用いてそれぞれの波長の反射光を検出する。それぞれの受光ヘッドによって検出された偏光状態をＣＰＵ１５０５で解析するわけであるが、複数の波長を用いることにより試料の膜厚、膜質がより正確に評価できる。
【００５６】
このような分光エリプソメータを従来技術で実現した場合、精度の高い回転機構や駆動部分が複数セット必要となり、装置が大型になるだけでなく、測定時間も長くなってしまう欠点あった。これに対して本発明では、フォトニック結晶を利用することにより、小型の偏光解析装置が実現できるため、複数の光学系を一つの装置内に収めることが容易になるだけでなく、駆動部分がないため信頼性の高いデバイスが実現できる。さらに、受光素子アレイで得られた結果から瞬時に偏光状態が判別できるため、測定時間も非常に短くできる。
【００５７】
（実施例１２）
請求項１４および請求項１５の実施例として、蒸着やスパッタなどの薄膜形成プロセス中における膜厚／膜質モニタの例を図１６に示す。真空チャンバ１６０６内に基板１６０１がセットされており、制御回路１６０５をコントロールすることによって物質源１６０７が基板上に成膜されるようなプロセス装置を考える。この成膜装置のチャンパ内にレーザ光源１６０２、および本発明の偏波解析装置の受光ヘッド１６０３を図のように設置し、レーザ光を基板に向けて照射し、基板からの反射光を受光部ヘッドで検出する。図では小型のレーザ光源をチャンバ内に設置したが、光源をチャンバの外部に配置し、偏波保持型の光ファイバなどを用いて光をチャンバ内へ導くことも可能である。受光ヘッドからの信号はＣＰＵ１６０４で解析され、光の強度分布から成膜中の薄膜の膜厚と屈折率がリアルタイムにモニタできる。さらに、モニタした膜厚や膜質の情報を装置へフィードバックし、成膜条件をコントロールすることにより、厳密な成膜管理を行うことも可能となる。
【００５８】
このような薄膜形成プロセス中におけるリアルタイムの膜厚／膜質モニタは、高精度な膜厚、膜質管理に極めて有用であり、従来にはない技術である。従来のエリプソメータは大型の装置であり、プロセス装置の中でリアルタイムに膜厚／膜質のモニタリングをすることはほぼ不可能であった。また、例えば水晶振動子のような膜厚モニタも存在したが、屈折率を含めた膜質のモニタリングは不可能であった。本発明により、エリプソメータの超小型化や高信頼性を実現することができるため、真空プロセスの膜厚／膜質モニタとして装置内部へ導入することも容易となる。また、先にも述べたように、本発明では光強度の絶対値の情報は必要とせず、相対的な強度分布のみで膜厚／膜質の判別ができる。したがって、成膜物質の窓への付着等による光の強度変動に影響されることなくモニタリングが可能である。
【００５９】
通常の真空プロセス装置では、均一な膜を形成するために基板ホルダを自転または公転（もしくは両方）させながら成膜を行うのが一般的である。このような常に移動している基板の膜厚や膜質をモニタすることは、従来は非常に難しいと考えられてきた。この場合においても、本発明を利用することにより十分に高速な膜厚／膜質測定が実現できるため、例えば基板ホルダの回転周期と測定のサンプリング周期を一致させるなどの方法によりリアルタイムに膜厚／膜質のモニタリングが可能となる。サンプリング周期を工夫すれば、一度に複数の基板に成膜する場合においても、基板毎の膜厚／膜質のモニタリングも可能となるであろう。また、基板ホルダにガタツキがあり光の入射位置に変動があるような場合においても、入射光のビーム径を広げたり、請求項９および実施例６で示したような強度分布補正手法や、請求項１１および実施例９で示したビーム位置変動に対する対応策を採用したりすることによって計測エラーを避けることができる。
【００６０】
（実施例１３）
請求項１６の実施例として、プロセス装置内部に複数のエリプソメータを導入した構成を図１７に示す。この例では、プロセス装置外部のレーザ光源１７０２から、光ファイバ１７０８を用いてレーザ光を真空チャンバ１７０６内へ導いている。光ファイバは複数に分岐しており、ファイバ端から出射された光はそれぞれ基板１７０１上の異なる位置で反射され、本発明の偏光解析装置群１７０３でそれぞれ検出される。こうような構成により、成膜中の膜厚／膜質だけでなく、基板上の場所の違いによる膜厚／膜質の分布もリアルタイムにモニタリングできる。ＣＰＵ１７０４で算出された分布情報を装置の成膜制御装置１７０５へフィードバックし、膜の組成や成膜レートの分布を制御できれば、より均一な膜を形成することが可能となる。
【００６１】
本発明によって実現できるプロセス中における膜の均一化方法について簡単に説明する。図１８はサイドスパッタ装置に複数の膜厚制御装置を取り付けた例である。ターゲット１８０１が縦に配置してあり、回転式ドラム１８０２の周囲に基板が取り付けてある。通常、膜厚および膜質は基板の回転方向には均一であるが、縦方向には不均一となり周囲になるにしたがって膜厚は小さくなる。そこで、縦方向の均一領域を広げるために補正板１８０３をターゲットの周囲に配置してプラズマ密度をコントロールする方法が提案されている。従来は膜の均一性を高めるために、成膜後の膜厚分布をオフラインで測定し、遮蔽板の形状および取り付け位置を調整して条件出しを繰り返すという煩雑な方法を採用せざるを得なかったために、分布を１〜２％あるいはそれ以下まで均一化することは非常に難しかった。これに対して  本発明のエリプソメータ１８０４を用いる場合、リアルタイムの測定結果からＣＰＵ１８０５の計算で得られた膜厚／膜質の分布情報を、成膜制御装置１８０６にフィードバックしてターゲットに印加する電力および遮蔽板の開度を制御することにより、オンラインで膜厚分布を一定にするように調整することが可能となる。
【００６２】
スパッタ装置における膜の均一化についてもう一つの例を図１９に示す。ターゲット１９０１の周囲にガス導入口１９０２が複数配置されており、それぞれにガスの流量を制御するマスフローコントローラ１９０３が設置されているようなスパッタ装置を考える。このようなスパッタ装置では、ターゲットの周囲に供給するガスの流量をコントロールすることにより、プラズマ密度を部分的に制御することができる。一般に成膜される膜質および成膜レートはプラズマ密度と相関があることから、各位置でのプラズマ密度をコントロールすることにより、それぞれの位置における膜厚／膜質を制御することが可能となる。本発明のエリプソメータ１９０４を利用し、ＣＰＵ１９０５により得られた膜圧／膜質の情報をリアルタイムに制御回路１９０６へフィードバックし、装置内のプラズマ密度をオンラインで制御することが出来れば、均一で均質な成膜が可能になる。
【００６３】
スパッタ装置を用いた成膜制御の方法について第３の例を図２０に示す。マグネトロンスパッタ装置のカソード２００１の内部に、永久磁石２００２と電磁石２００３の両方が配置されている。このような装置では電磁石に流す電流を制御することにより、全体のプラズマ密度を制御することができる。本発明のエリプソメータ２００４およびＣＰＵ２００５を利用してモニタした分布情報を制御回路２００５へフィードバックし電磁石の制御を行うことでプラズマ密度のリアルタイム制御が可能となるため、オンラインでの膜厚／膜質の制御が可能になる。
【００６４】
最後に真空蒸着装置における、膜の均一化手法についての一例を図２１に示す。チャンバ内に蒸着源２１０２が複数配置できる多源蒸着装置を考える。このような装置では、各蒸着源に加える電力配分をコントロールすることにより、膜圧および膜質の分布を制御できる。本発明のエリプソメータ２１０３を利用して、基板２１０１の各位置における膜圧／膜質をリアルタイムにモニタし、ＣＰＵ２１０４によって算出された分布情報を成膜制御装置２１０５へフィードバックする。測定によって得られた分布情報を元に、各々の蒸着源に加える電力量をコントロールすることが出来れば、均一で均質な膜の作成が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】フォトニック結晶からなる偏光子あるいは波長板の概念図
【図２】図１に示すフォトニック結晶の伝搬特性を表わすバンド図
【図３】フォトニック結晶を用いて構成される「角度変化型」偏光解析装置
【図４】図３の偏光解析装置を用いた場合に観測される光の強度分布の例
【図５】フォトニック結晶を用いて構成される「位相差変化型」偏光解析装置
【図６】図５の偏光解析装置を用いた場合に観測される光の強度分布の例
【図７】波長板／偏光子の分割数による強度分布パターンの違いの例
【図８】測定される強度分布パターンと補間後の強度分布の関係の例
【図９】波長板アレイと偏光子アレイを一体化する方法を示す概念図
【図１０】波長板アレイと偏光子アレイを一体化する第２の方法を示す概念図
【図１１】図３と図５の偏光解析装置を一体化させた偏光解析装置を表す概念図
【図１２】偏光解析装置において、光の多重反射を抑圧する方法を示す概念図
【図１３】偏光解析装置において、光の多重反射を抑圧する第２の方法を示す概念図
【図１４】本発明を利用したエリプソメータの構成を表す概念図
【図１５】本発明を利用した分光エリプソメータの構成を表す概念図
【図１６】薄膜プロセス中のオンライン膜厚／膜質モニタの概念図
【図１７】薄膜プロセス中のオンライン膜厚／膜質および分布モニタの概念図
【図１８】スパッタ装置における膜厚／膜質および分布の制御方法の例−その１
【図１９】スパッタ装置における膜厚／膜質および分布の制御方法の例−その２
【図２０】スパッタ装置における膜厚／膜質および分布の制御方法の例−その３
【図２１】真空蒸着装置における膜厚／膜質および分布の制御方法の例
【図２２】本発明の偏光解析装置で得られる強度分布パターンの概念図および理論式
【図２３】入射光強度分布や損失分布を補正するための偏光解析装置の構成例―その１
【図２４】入射光強度分布や損失分布を補正するための偏光解析装置の構成例―その２
【図２５】遮光領域によって散乱／回折光の影響を回避する偏光解析装置の構成例
【図２６】入射光の位置変動の影響を回避するための偏光解析装置の構成例
【符号の説明】
【００６６】
１０１    パターン付き基板
１０２    高屈折率材料層
１０３    低屈折率材料層
２０１    ＴＥ波を反射し、ＴＭ波を透過させる偏光子の動作をする周波数領域
２０２    ＴＥ波を透過し、ＴＭ波を反射させる偏光子の動作をする周波数領域
２０３    ＴＥ波もＴＭ波を透過させる波長板として動作する周波数領域
３０１    自己クローニング型フォトニック結晶を用いた波長板アレイ
３０２    自己クローニング型フォトニック結晶を用いた偏光子アレイ
３０３    受光素子アレイ
５０１    自己クローニング型フォトニック結晶を用いた波長板アレイ
５０２    自己クローニング型フォトニック結晶を用いた偏光子アレイ
５０３    受光素子アレイ
９０１    波長板アレイ層
９０２    偏光子アレイの最終層
９０３    偏光子アレイ層
９０４    基板
９０５    受光素子アレイ
１００１  波長板アレイ層
１００２  基板
１００３  偏光子アレイ層
１００４  受光素子アレイ
１１０１  「角度変化型」の波長板アレイ領域
１１０２  「位相差変化型」の波長板アレイ領域
１１０３  偏光子アレイ
１１０４  受光素子アレイ
１２０１  波長板アレイ基板
１２０２  偏光子アレイ基板
１２０３  波長板を形成するための溝パターンが存在する領域
１２０４  偏光子を形成するための溝パターンが存在する領域
１２０５  受光素子アレイ基板
１２０６  各受光素子
１３０１  損失を持つ材料
１３０２  損失を持つ材料
１３０３  波長板アレイ
１３０４  偏光子アレイ
１３０５  受光素子アレイ
１４０１  表面に薄膜が形成された基板サンプル
１４０２  レーザ光源
１４０３  本発明の偏光解析装置
１４０４  光軸調整用レンズ
１４０５  データ解析用ＰＣ
１４０６  試料台
１５０１  表面に薄膜が形成された基板サンプル
１５０２  各波長のレーザ光源
１５０３  本発明の偏光解析装置
１５０４  試料台
１５０５  データ解析用ＰＣ
１６０１  薄膜を形成する基板
１６０２  レーザ光源
１６０３  本発明の偏光解析装置
１６０４  データ解析用ＣＰＵ
１６０５  成膜制御装置
１６０６  真空チャンバ
１６０７  蒸着源・スパッタターゲットなどの薄膜材料
１７０１  薄膜を形成する基板
１７０２  レーザ光源
１７０３  本発明の偏光解析装置
１７０４  データ解析用ＣＰＵ
１７０５  成膜制御装置
１７０６  真空チャンバ
１７０７  薄膜材料
１７０８  光ファイバ
１８０１  スパッタターゲット
１８０２  基板
１８０３  成膜速度調整用の補正板
１８０４  本発明の偏光解析装置
１８０５  データ解析用ＣＰＵ
１８０６  成膜制御装置
１９０１  スパッタターゲット
１９０２  ガス導入口
１９０３  ガス流量制御装置
１９０４  本発明の偏光解析装置
１９０５  データ解析用ＣＰＵ
１９０６  成膜制御装置
２００１  スパッタのカソード
２００２  永久磁石
２００３  電磁石
２００４  本発明の偏光解析装置
２００５  データ解析用ＣＰＵ
２００６  成膜制御装置
２１０１  薄膜を形成する基板
２１０２  蒸着源
２１０３  本発明の偏光解析装置
２１０４  データ解析用ＣＰＵ
２１０５  成膜制御装置
２２０１  本発明の偏光解析装置で観測される光強度分布を示す式
２３０１  隙間を空けて配列した波長板アレイ
２３０２  隙間を空けて配列した偏光子アレイ
２３０３  受光素子アレイ
２３０４  波長板と偏光子の両方を通過した光の強度を測定する受光素子領域
２３０５  波長板のみを通過した光の強度を測定する受光素子領域
２３０６  偏光子のみを通過した光の強度を測定する受光素子領域
２３０７  透明領域を通過した光の強度を測定する受光素子領域
２４０１  波長板アレイ基板
２４０２  偏光子アレイ基板
２４０３  受光素子アレイ
２４０４  波長板と偏光子の両方を通過した光の強度を測定する受光素子領域
２４０５  波長板のみを通過した光の強度を測定する受光素子領域
２４０６  偏光子のみを通過した光の強度を測定する受光素子領域
２４０７  透明領域を通過した光強度を測定する受光素子領域
２５０１  波長板アレイ
２５０２  偏光子アレイ
２５０３  波長板アレイおよび偏光子アレイに設ける遮光領域
２５０４  受光素子アレイ
２５０５  受光素子アレイに設ける遮光領域
２６０１  偏光解析装置１
２６０２  偏光解析装置２
２６０３  偏光解析装置３
２６０４  偏光解析装置４
２６０５  入射ビームの照射される領
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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