(57)【要約】【課題】  入射角度および出射角度を自在に変化させて光学測定を行うことが可能な光学測定装置を提供する。【解決手段】  入射光および出射光を透過可能な筒状体１５を、容器３０の側面から突出形成して、その筒状体１５の内部に光学測定部１０を配置する。光学測定部１０における筒状体１５の側面は、試料２に対する入射光の入射角度が変化する方向および試料２からの出射光の出射角度が変化する方向に沿って試料２の全周を取り囲むように連続形成され、光透過部１２を構成している。【選択図】        図１
2005055308.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内の光学測定部に配置された試料に対して前記容器の外部から光を入射させ、前記試料からの出射光を前記容器の外部において測定する光学測定装置であって、
前記試料に対する入射光の入射角度が変化する方向および前記試料からの出射光の出射角度が変化する方向に沿って前記試料を取り囲むように連続する、前記入射光および前記出射光を透過可能な光透過部が、前記容器の光学測定部に設けられていることを特徴とする光学測定装置。
【請求項２】
前記光透過部は、前記試料を少なくとも１８０度の範囲で取り囲むように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置。
【請求項３】
前記容器から前記入射光および前記出射光を透過可能な筒状体が突出形成され、前記筒状体の内部に前記光学測定部が配置されて、前記光学測定部における前記筒状体の側面が前記光透過部とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学測定装置。
【請求項４】
前記容器には、前記試料に対して処理を行う第１処理部が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光学測定装置。
【請求項５】
前記光学測定部と前記第１処理部との間で前記試料を移動させる移動手段を備えていることを特徴とする請求項４に記載の光学測定装置。
【請求項６】
前記入射光に対する前記試料の姿勢を変化させる姿勢制御手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の光学測定装置。
【請求項７】
前記筒状体の先端部には、前記試料に対して処理を行う第２処理部との接続手段が設けられていることを特徴とする請求項３ないし請求項６のいずれかに記載の光学測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体や金属等の固体表面の状態を調査するため、エリプソメトリー法や光第２高調波発生法等の光学測定手法が用いられている。これらの光学測定手法は、薄膜等の形成された試料に対してレーザ光を入射させ、試料からの出射光を測定して、試料の状態を調査するものである。例えば光第２高調波発生法は、結晶構造を有する薄膜が形成された試料に対してレーザを入射させ、結晶構造の非対称部分で発生する光第２高調波（入射光の２倍の周波数を有する光）を測定して、薄膜の結晶構造を解析するものである（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
図５は従来の光学測定装置であって、図５（ａ）は斜視図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＣ−Ｃ線における平面断面図である。図５（ａ）に示す光学測定装置１０１は、試料１０２に蒸着処理等を施して薄膜を調整した後に、試料１０２に対する光学測定を行うものである。その蒸着処理を真空中で行うため、光学測定装置１０１には試料１０２を密閉する容器１３０が形成されている。そして試料１０２は、容器１３０の中央部における蒸着処理部１４０および光学測定部１１０に配置されている。一方、この容器１３０の側面にはガラス板が装着されて、光透過部１１２が形成されている。光学測定を行うには、図５（ｂ）に示すように、まず容器１３０の外部から、光透過部１１２を通して、容器１３０の内部の試料１０２にレーザ光１８０を入射させる。さらに、試料１０２からの出射光１９０は、光透過部１１２を通して、容器１３０の外部で受光される。そして、受光した出射光を解析することにより、試料１０２に形成された薄膜の調査が行われる。
【非特許文献１】Ｔ．ヤマウチ（T.Yamauchi）、他６名，「サーフェス・ＳＨＧ・アンド・フォトエミッション・フロム・Ｃｓ／ｐ−ＧａＡｓ・アンド・ザ・Ｃｓ／Ｏ２／ｐ−ＧａＡｓ・コアドソーブド・システム（Surface SHG and photoemission from Cs/p-GaAs and the Cs/O2/p-GaAs coadsorbed system）」，（オランダ国），サーフェス・サイエンス（Surface Science ），エルゼビア（Elsevier），１９９６年，３６３号，ｐ．３８５−３９０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、エリプソメトリー法や光第２高調波発生法等の光学測定手法では、試料に対する入射光の入射角度および出射光の出射角度を変化させて測定を行うことにより、測定精度を向上させることができる。例えば、光第２高調波発生法により試料の結晶構造の解析を行うためには、試料に対してさまざまな角度からレーザ光を入射させて、結晶構造の非対称部分を調査するのが好ましい。
【０００５】
しかしながら、上述した従来の光学測定装置では、入射角度および出射角度に限界があるという問題がある。すなわち、図５（ｂ）に示すように、容器１３０の中央部に配置された試料１０２に対して、光透過部１１２の周縁部から入射光１８０を入射させ、光透過部１１２の中央部を挟んで反対側の周縁部から出射光１９０を出射させた場合が、従来の光学測定装置１０１における入射角度および出射角度の限界となる。ここで、容器１３０の側面に装着されて光透過部１１２を構成するガラス板の大きさには限界があるため、入射角度および出射角度を大きく変化させることができないのである。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、入射角度および出射角度を自在に変化させて光学測定を行うことが可能な光学測定装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の光学測定装置は、容器内の光学測定部に配置された試料に対して前記容器の外部から光を入射させ、前記試料からの出射光を前記容器の外部において測定する光学測定装置であって、前記試料に対する入射光の入射角度が変化する方向および前記試料からの出射光の出射角度が変化する方向に沿って前記試料を取り囲むように連続する、前記入射光および前記出射光を透過可能な光透過部が、前記容器に設けられていることを特徴とする。
この構成によれば、入射光の入射角度を変化させた場合でも、光透過部を介して入射光を試料に入射させることができる。これにともなって出射光の出射角度が変化した場合でも、光透過部を介して出射光を容器の外部に出射させることができる。したがって、入射角度および出射角度を自在に変化させて光学測定を行うことができる。
【０００８】
また前記光透過部は、前記試料を少なくとも１８０度の範囲で取り囲むように設けられていることが望ましい。
この構成によれば、試料の法線に対する入射光の入射角度および出射光の出射角度を、９０度近くまで大きく変化させることができる。したがって、入射角度および出射角度を自在に変化させて光学測定を行うことができる。
【０００９】
また、前記容器から、前記入射光および前記出射光を透過可能な筒状体が突出形成され、前記筒状体の内部に前記光学測定部が配置されて、前記光学測定部における筒状体の側面が前記光透過部とされていることが望ましい。
この構成によれば、試料の全周を取り囲むように光透過部を設けることができる。したがって、入射角度および出射角度を自在に変化させて光学測定を行うことができる。
【００１０】
なお前記容器には、前記試料に対して処理を行う第１処理部が設けられていてもよい。
この構成によれば、試料に対する処理と光学測定とを連続して、または同時に行うことができる。
【００１１】
また、前記光学測定部と前記第１処理部との間で前記試料を移動させる移動手段を備えていることが望ましい。
この構成によれば、容器を開放した上で試料を移動させることなく、試料に対する処理と光学測定とを連続して行うことができる。
【００１２】
また、前記入射光に対する前記試料の姿勢を変化させる姿勢制御手段を備えていることが望ましい。
この構成によれば、試料を回転させつつ、発光装置または受光装置のいずれか一方を回動させることにより、入射光の入射角度および出射光の出射角度を自在に変化させて光学測定を行うことができる。これにより、発光装置または受光装置のいずれか他方の回動手段が不要となり、製造コストを削減することができる。この場合でも、光透過部が試料を取り囲むように連続形成されているので、入射光を試料に入射させるとともに、出射光を容器の外部に出射させることができる。したがって、入射角度および出射角度を自在に変化させて光学測定を行うことができる。
【００１３】
なお前記筒状体の先端部には、前記試料に対して処理を行う第２処理部との接続手段が設けられていてもよい。
この構成によれば、試料に対する複数種類の処理と光学測定とを連続して行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。図１は、本実施形態の光学測定装置の斜視図である。本実施形態の光学測定装置１は、試料２を封入する容器３０と、その容器３０から突出形成された筒状体１５とを主として構成されている。そして、その筒状体１５の内部が光学測定部１０とされ、その光学測定部１０における筒状体１５の側面が光透過部１２とされている。
【００１５】
本実施形態の光学測定装置１は、試料２に対して光学測定を行う光学測定部１０と、試料２に対して蒸着処理を行う蒸着処理部（第１処理部）４０とを有している。その蒸着処理部４０は、円筒状の容器３０の内部に配置されている。図２は、図１のＡ−Ａ線における正面断面図である。図２に示すように、容器３０の側面には、蒸着装置４２が装着されている。また、蒸着装置４２から容器３０の中央部に向かって蒸着ノズル４４が突出形成されている。そして、その蒸着ノズル４４の先端部が蒸着処理部４０となっている。
【００１６】
上述した蒸着装置４２は、例えば電子ビーム蒸着装置とすることができる。電子ビーム蒸着装置は、電子ビームにより蒸着物質を加熱して蒸発させ、試料の表面に堆積させるものである。ここで、上述した蒸着ノズル４４を設けることにより、蒸発した蒸着物質を蒸着処理部４０に導いて、試料の表面のみに付着させることができる。これにより、蒸着物質を効率的に利用することが可能になり、また容器３０の内面に付着する蒸着物質を低減することができる。
【００１７】
一方、蒸着処理部４０における容器３０の側面から外部に向かって、筒状体１５が突出形成されている。この筒状体１５は、２００ｎｍ程度の紫外光から１０００ｎｍ程度の赤外光までの光を幅広く透過する石英等の材料によって構成されている。これにより筒状体１５は、エリプソメトリー法や光第２高調波発生法等の光学測定方法における入射光および出射光を透過させることができる。また光透過性を有する筒状体１５として、光学歪みが十分に小さいものを選択する。これにより、偏光や焦点、ビームの方向などのずれを防止することができる。なお、本実施形態では断面が円形の筒状体１５を採用しているが、断面が楕円形または多角形の筒状体を採用することも可能である。もっとも、断面が円形の筒状体１５を採用することにより、容器３０の内部を真空とした場合の強度を確保することが可能となり、また筒状体１５の製造コストを低減することができる。そして、筒状体１５の長手方向中央部から先端部にかけて、光学測定部１０が配置されている。
【００１８】
その光学測定部１０における筒状体１５の外側には、図示しない発光装置および受光装置が配置されている。その発光装置は、試料中の電子を励起しうる特定波長の光を照射可能なレーザ等によって構成されている。また受光装置は、励起光により励起された試料からのシグナル光を受光可能なモノクロメータ等によって構成されている。この発光装置および受光装置は、筒状体１５の光学測定部１０に向かって配置されている。また発光装置および受光装置は、筒状体１５の中心軸のまわりを回動可能に形成されている。これにより、試料２に対する入射光の入射角度および試料からの出射光の出射角度を変化させることができるようになっている。
【００１９】
そして、筒状体１５はその中心軸のまわりに円筒状に形成されているので、光学測定部１０における筒状体１５の側面は、入射光の入射角度が変化する方向および出射光の出射角度が変化する方向に沿って連続形成されている。また、光学測定を行う試料２は光学測定部１０における筒状体１５の中心部に配置されるので、光学測定部１０における筒状体１５の側面は、試料２を取り囲むように連続形成されている。したがって、光学測定部１０における筒状体１５の側面は、本発明における光透過部１２を構成している。
【００２０】
一方、蒸着処理部４０から光学測定部１０にかけて、ロッド２０が配置されている。このロッド２０の一方端部には、試料２を固定する試料ホルダ５が設けられている。またロッド２０の他方端部は、図示しないロッド駆動手段に接続されている。このロッド駆動手段は、ロッド２０をその軸方向に沿って移動させる機能を有する。これにより、ロッド２０の先端部の試料ホルダ５に固定された試料２を、蒸着処理部４０と光学測定部１０との間で移動させることが可能になる。したがって、ロッド２０は試料２の移動手段として機能し、容器３０を開放することなく試料を移動させることができる。
【００２１】
また、上述したロッド駆動手段は、ロッド２０をその中心軸のまわりに回転させる機能を有する。これにより、ロッド２０先端部の試料ホルダ５に固定された試料２を、ロッド２０の中心軸のまわりに回転させることが可能になる。このように試料２を回転させると、試料２に対する入射光の入射角度および出射光の出射角度が変化する。したがって、入射光および出射光に対する試料２の姿勢を変化させることが可能になり、ロッド２０は試料２の姿勢制御手段として機能する。
【００２２】
なお、筒状体１５の先端部には、試料２に対する第２処理部（不図示）との接続手段が設けられている。その接続手段として、具体的にはフランジ等が設けられている。この第２処理部では、第１処理部４０における蒸着処理以外の処理を試料２に対して行うことが可能である。この場合、ロッド２０のストロークを延長して、第１処理部４０、光学測定部１０、および第２処理部の間で試料２を移動可能としてもよい。これにより、試料２に対して複数種類の処理を施した状態で光学測定を行うことが可能になる。また第２処理部では、上述した蒸着処理と同様の処理を試料２に対して行うことも可能である。この場合、ロッド２０とは別に、光学測定部１０と第２処理部との間で試料を移動可能とする移動手段を設けてもよい。これにより、第１処理部４０において処理された試料２の光学測定中に、第２処理部において別の試料を処理することができる。また、第２処理部において処理された試料の光学測定中に、第１処理部４０において別の試料２を処理することができる。したがって、複数の試料に対する蒸着処理および光学測定を効率的に行うことが可能になる。
【００２３】
次に、本実施形態の光学測定装置の使用方法について説明する。本実施形態の光学測定装置の使用方法は、試料に対して蒸着処理を行う蒸着処理工程と、試料に対して光学測定を行う光学測定工程と、を主として構成されている。
【００２４】
図３は蒸着処理工程の説明図であって、図１のＡ−Ａ線に相当する部分における側面断面図である。図３に示すように、まず試料２に蒸着処理を施す（蒸着処理工程）。なお蒸着処理は真空下で行うため、図示しない真空ポンプ等により、あらかじめ容器３０の内部を真空引きしておく。次に、ロッド２０をその中心軸に沿って移動させ、試料２を蒸着処理部４０に配置する。そして蒸着装置４２を作動させ、蒸着ノズル４４から試料２の構成材料を放出させて、試料２を調整する。
【００２５】
次に、蒸着処理により調整された試料の状態を解析するため、光学測定を行う（光学測定工程）。図２に示すように、まずロッド２０をその中心軸に沿って移動させ、試料２を光学測定部１０に配置する。次に、図示しない発光装置から試料２に向かって励起光を照射する。図４は光学測定工程の説明図であって、図１のＢ−Ｂ線における側面断面図である。図４に示すように、励起光８０は筒状体１５の側面の光透過部１２を透過して試料２に入射する。この励起光８０により試料２中の電子が励起されて、試料２からシグナル光９０が出射される。なお、試料２の法線に対する入射光８０の入射角度と出射光９０の出射角度とは等しくなる。さらにシグナル光９０は、筒状体１５の側面の光透過部１２を透過して、筒状体１５の外部に出射される。そして、図示しない受光装置によりシグナル光９０を受光して、試料２の解析を行う。
【００２６】
さらに、試料２に対する入射光８０の入射角度と出射光９０の出射角度とを変化させて光学測定を行う。具体的には、筒状体１５の中心軸のまわりに発光装置および受光装置を回動させて、入射光８０の入射角度および出射光９０の出射角度を変化させる。図４では、試料２の法線から遠ざかる方向に発光装置および受光装置をそれぞれ回動させる。そして、回動させた発光装置から試料２に向かって励起光８２を照射する。ここで、筒状体１５の側面の光透過部１２は試料２の全周を取り囲むように連続形成されているので、励起光８２は光透過部１２を透過して試料２に入射する。なお、試料２の法線から遠ざかる方向に発光装置を回動したので、試料２に対する入射光８２の入射角度は大きくなり、これにともなって試料２からの出射光９２の出射角度も大きくなる。さらに、試料２から出射されたシグナル光９２は、筒状体１５の光透過部１２を透過して試料２の外部に出射される。そして、試料２の法線から遠ざかる方向に回動した受光装置により、このシグナル光９２を受光する。このように、入射光の入射角度と出射光の出射角度とを変化させることにより、光学測定の精度を向上させることができる。
【００２７】
なお、上記以外のさまざまな入射角度で励起光を入射させることにより、光学測定の精度をさらに向上させることができる。この場合でも、筒状体１５の側面の光透過部１２は試料２を取り囲むように連続形成されているので、励起光を試料２に入射させることが可能であり、試料２から出射されたシグナル光を筒状体１５の外部に出射させることが可能である。また、本実施形態では断面が円形の筒状体１５を採用しているため、筒状体の側面に対して垂直に光を入射および出射させることが可能になり、光の屈折による入射角度および出射角度の変化の影響を回避することができる。もっとも、断面が楕円形や多角形などの筒状体を採用した場合でも、光の屈折による入射角度および出射角度の変化の影響は、補正計算によって除去することが可能である。
【００２８】
なお本実施形態では、ロッドを回転させることにより試料２を回転させて、試料２に対する入射光の入射角度および出射光の出射角度を変化させることができる。そこで、試料２を回転させつつ、発光装置または受光装置のいずれか一方を回動させることにより、入射光の入射角度および出射光の出射角度を変化させて光学測定を行うことができる。例えば、図４において破線２ａで示すように試料２を回転させた場合には、発光装置を回動させなくても入射光８０の入射角度が大きくなる。これにともなって出射光９０ａの出射角度も大きくなるが、筒状体１５の側面の光透過部１２は試料２の全周を取り囲むように連続形成されているので、出射光９０ａを筒状体１５の外部に出射させることができる。そこで受光装置のみを回動させれば、その受光装置により出射光９０ａを受光して光学測定を行うことができる。このように、発光装置または受光装置のいずれか他方を回動させることができない場合でも、入射光の入射角度および出射光の出射角度を変化させて光学測定を行うことが可能になる。また、発光装置または受光装置のいずれか他方の回動手段が不要となり、製造コストを削減することができる。
【００２９】
ところで、受光装置は出射光の光軸上に配置する必要がある。なお、入射光の入射角度から出射光の出射方向を予測して、その光軸上に受光装置を配置することは可能である。ところが、試料２の表面がわずかに傾斜している場合には、予測と異なる方向に出射光が出射されるので、受光装置による出射光の受光が困難になる。この場合でも、ロッドを回転させることにより試料２を回転させて、出射光の出射方向をわずかに変化させれば、受光装置による出射光の受光が可能になる。このように、受光装置を回動させなくても、試料２を回転させることによって受光装置のチューニングを行うことが可能になり、光学測定の準備時間を短縮することができる。
【００３０】
以上に詳述したように、本実施形態の光学測定装置は、入射光の入射角度および出射光の出射角度が変化する方向に沿って試料を取り囲むように連続形成された光透過部を有する構成とした。この構成によれば、入射光の入射角度を変化させた場合でも、光透過部を介して入射光を試料に入射させることができる。これにともなって出射光の出射角度が変化した場合でも、光透過部を介して出射光を筒状体の外部に出射させることができる。したがって、入射角度および出射角度を自在に変化させて光学測定を行うことができる。
【００３１】
なお、本実施形態では容器の側面から筒状体を突出形成し、その筒状体に光学測定部を配置する場合を例にして説明したが、容器の側面に光学測定部を配置することも可能である。この場合には、円筒状の容器の側面に沿って湾曲する光透過部を形成すればよい。そして、光透過部が湾曲する方向に沿って入射角度および出射角度を変化させれば、入射光を試料に入射させるとともに出射光を容器の外部に出射させることができる。なお光透過部は、少なくとも１８０度の範囲で試料を取り囲むように形成するのが好ましい。これにより、試料の法線に対する入射光の入射角度および出射光の出射角度を９０度近くまで大きく変化させることができる。したがって、入射角度および出射角度を自在に変化させて光学測定を行うことができる。
【００３２】
また、本実施形態では蒸着処理工程を実施した後に光学測定工程を実施する場合を例にして説明したが、光学測定工程を実施した後に蒸着処理工程を実施することも可能である。さらに、容器の内部に光学測定部を配置した場合には、蒸着処理工程を実施すると同時に光学測定工程を実施することも可能である。一方、本実施形態では第１処理部において蒸着処理を行う場合を例にして説明したが、第１処理部では蒸着以外の処理を行うことも可能である。この場合、必ずしも容器の内部を真空状態とする必要はなく、特定種類の気体や液体を充填した状態で処理を行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施形態の光学測定装置の斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線における正面断面図である。
【図３】蒸着処理工程の説明図である。
【図４】光学測定工程の説明図である。
【図５】従来の光学測定装置の説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
２試料  １０光学測定部  １２光透過部  １５筒状体  ３０容器
【図１】
2005055308.tif 000003
【図２】
2005055308.tif 000004
【図３】
2005055308.tif 000005
【図４】
2005055308.tif 000006
【図５】
2005055308.tif 000007