(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料光を複数の異なる偏光成分に分離して、各偏光成分を測定する偏光解析装置において、
試料から異なった方向に広がる光を、それぞれ通過させる、３種以上の検光子を組み合わせた検光手段と、
前記検光手段の３種以上の検光子をそれぞれ通過した光を、鏡で反射させて別々の焦点に集光させるための光束分離集光光学系と、
前記別々の焦点に集光された複数光をそれぞれ分光する分光器と、
複数のスペクトルを検出することのできる検出器と、
偏光解析演算を行う演算処理部とを有することを特徴とする偏光解析装置。
【請求項２】
光源の光を試料に集光して入射させる集光光学系をさらに有する請求項１記載の偏光解析装置。
【請求項３】
前記集光光学系と試料との間に、偏光子を配置した請求項２記載の偏光解析装置。
【請求項４】
前記光源は白色光源である請求項２記載の偏光解析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料に偏光を照射して透過光あるいは反射光の偏光状態を測定して試料の偏光特性を解析する偏光解析装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
偏光解析装置の一種であるエリプソメータは、ある偏光の光を試料に照射し、その透過光又は反射光の偏光状態からエリプソパラメータを求め、試料の偏光特性を解析する装置である。
電場ベクトルが入射面（入射光束と反射光束が通る面）に垂直な成分であるｓ波の反射率と、平行な成分であるｐ波の反射率の比 tanΨと位相差Δ（あるいはΨとΔ）をエリプソパラメータといい、エリプソパラメータを使って、膜厚の測定や、薄膜材料の物性の測定が可能となる（特開平５−１３３８１１号公報、特開平５−１４２１４１号公報参照）。
【０００３】
また、ある偏光の光を試料に照射し、その透過光又は反射光の偏光状態からストークスパラメータを求めるストークスメータも知られている。
本明細書では、エリプソメータ、ストークスメータを総称して「偏光解析装置」という。
特に、パラメータの波長依存性を測定することができる分光偏光解析装置は、多層膜のような複雑な膜の解析に最適である。
【０００４】
従来の偏光解析装置の構成を図６及び図７に示す。
図６は、試料透過型の偏光解析装置を示している。この試料透過型の偏光解析装置は、白色光源２の光を集光光学系３、回転偏光子４、回転可能な位相差板２１を通して試料５に当て、試料５を透過した光を回転検光子１４、集光光学系１５を通して、光ファイバ８に入れている。光ファイバ８を透過した光は、分光器１６に入り、検出器１７によってそのスペクトルが検出される。検出されたスペクトル信号は、演算処理装置１８に入力されここで偏光解析演算がなされる。
【０００５】
図７は、試料反射型の偏光解析装置を示している。この試料反射型の偏光解析装置が試料透過型の偏光解析装置と違うところは、試料５を反射した光を測定していることであり、他は試料透過型の偏光解析装置と同様である。
なお、エリプソメータとして使用する場合は、回転偏光子４と試料５との間の位相差板２１は必要でない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の偏光解析装置は、測定するときに偏光子や検光子を回転（半回転又はそれ以上）させる必要があり、その回転に一定以上の時間が必要である。したがって、高速測定が困難であり、特に試料が経時変化を起こす場合に解析ができなかった。また、偏光子や検光子を回転させる機構も必要となるので、構造が複雑になるとともに、光学素子の光軸の調整精度不足、光学素子の加工精度不足、光学素子の中心軸の直線性の不良などのために測定中に光軸が動く可能性もあり、測定精度を悪くする原因となっていた。
【０００７】
そこで、短時間で測定でき、かつ、構造が簡単な偏光解析装置の実現が求められている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の偏光解析装置は、試料から異なった方向に広がる光を、それぞれ通過させる、３種以上の検光子を組み合わせた検光手段と、前記検光手段の３種以上の検光子をそれぞれ通過した光を、鏡で反射させて別々の焦点に集光させるための光束分離集光光学系と、前記別々の焦点に集光された複数光をそれぞれ分光する分光器と、複数のスペクトルを検出することのできる検出器と、偏光解析演算を行う演算処理部とを有するものである。
【０００９】
前記の偏光解析演算は、装置定数ＣあるいはゲインファクターＧを使用して行う。
前記の構成の偏光解析装置によれば、３種以上の検光子を組み合わせた検光手段を測定に使用するので、各検光子を通過した光の同時測定が行え、したがって測定時間が短くなり、回転部分も不要となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る試料透過型の分光偏光解析装置の構成を示している。
この試料透過型の分光偏光解析装置は、白色光源２の光を集光光学系３及び直線偏光子（以下単に「偏光子」という）４、回転可能な位相差板（以下単に「位相差板」という）２０を通して試料５に当て、試料５を透過した光を複数（この例では４個）の直線検光子（以下単に「検光子」という）６ａ〜６ｄに通し、光束分離集光光学系７を通して、複数本（この例では４本）の光ファイバ８ａ〜８ｄに入れている。各光ファイバ８ａ〜８ｄを透過した光は、それぞれＣＣＤなどの２次元分光器９に入り、２次元検出器１０によってそれらのスペクトルが独立して検出される。検出されたスペクトル信号は、演算処理装置１１に入力され、ここで偏光解析演算がなされる。
【００１１】
なお、偏光子４は、ストークスメータとして測定及びキャリブレーションに使用するとき並びにエリプソメータとしてキャリブレーションに使用するときには回転するものが必要であるが、エリプソメータとして測定に使用するときは回転できない固定型のものでもよい。位相差板２０は、ストークスメータとして測定及びキャリブレーションに使用するときに必要であって、エリプソメータとして測定及びキャリブレーションに使用するときは絶対的に必要なものではない（あってもよい）。また、位相差板２０の位置は、偏光子４と検光子６ａ〜６ｄとの間にあれば、試料５の後においてもよい。
【００１２】
前記白色光源２は、試料５の透過光のスペクトルを必要な範囲で測定できる波長の広がりを持つものであればよく、例えば、Ｘｅランプなどの希ガスを使ったランプ、ハロゲンランプ、水銀ランプなどが使用できる。
前記集光光学系３は、レンズ又はミラーを使って構成した集光光学系のことである。
【００１３】
検光子６ａ〜６ｄは、それぞれ偏光方向の異なった複数の検光子６ａ〜６ｄを組み合わせたものであり、図１の例では、正方形を４つに縦横分割するように配置している。このように配置したのは、検光子６ａ〜６ｄが図１に図示した光軸Ｄから離れる距離を、各検光子６ａ〜６ｄについて均一かつ最小にするためである。
【００１４】
複数の検光子６ａ〜６ｄの偏光方向は、０°から１８０°までの任意の角度で重複しない角度であればよい（ここで１８０°以上はその角度から１８０°の整数倍を引いた角度とする）。例えば、任意の角度を基準としてそれぞれ０°、４５°、９０°、１３５°と、４５°ずつずれていてもよい。
検光子６ａ〜６ｄの数は４つであったが、最低３つあればエリプソパラメータの測定は可能である。
【００１５】
光束分離集光光学系７は、後述するように、試料５から出て、複数の検光子６ａ〜６ｄを通った光をそれぞれ複数の光ファイバ８ａ〜８ｄの各入射端８１に集める光学系である。
２次元分光器９は、複数の光ファイバ８ａ〜８ｄから出射される各光束を、それぞれ分光し、２次元検出器１０の異なる検出位置にスペクトルとして結像させる分光器である。
【００１６】
以上の分光偏光解析装置において、白色光源２から出た光の集光点（焦点）は、試料５の観測点、光ファイバ８ａ〜８ｄの入射端８１、２次元分光器９のスリット、及び２次元検出器１０の検出面にそれぞれ位置することになる。
なお、図１において、偏光子４及び検光子６ａ〜６ｄは互いに入れ替えてもよい。集光光学系３及び光束分離集光光学系７は互いに入れ替えてもよい。また光ファイバ８ａ〜８ｄを省略して光を直接２次元分光器９に入れてもよい。
【００１７】
光束分離集光光学系７の詳細を図２に示す。図２において、試料５を透過し、各検光子６ａ〜６ｄを透過した光は、それぞれ４つの平面鏡７１ａ〜７１ｄで反射され、さらに凹面鏡７２で反射され、４つの光ファイバ端面８１においてそれぞれ集光される。各平面鏡７１ａ〜７１ｄは、同一平面に置かれたものではなく、それぞれ設置角度が異なっている。これは、試料５から出た光が、４つの光ファイバ端面８１で別々に焦点を結ぶようにするためである。
【００１８】
なお、図２の構成で、光ファイバ端面８１は縦横に並んでいるが、これに限らず直線状に４つ並んでいてもよい。また平面鏡７１ａ〜７１ｄと凹面鏡７２とを入れ替えてもよい。さらに途中に平面鏡を挿入して光学系をコンパクトにすることも可能である。また平面鏡７１ａ〜７１ｄを凹面鏡として、凹面鏡７２を省略することも可能である。
【００１９】
また試料５と検光子６ａ〜６ｄに間にレンズ、ミラー又はその組合せを用いた集光光学系あるいは光束拡大光学系を置くことも可能である。こうすれば、試料５と検出光学系の配置に制限がある場合でも光束を検出器に導くことができる。図３は、２次元検出器１０の検出面１０ａにおけるスペクトルの結像位置を説明する図である。複数の光ファイバ８ａ〜８ｄから出射される各光束は、それぞれ分光され、２次元検出器１０の検出面１０ａでは、それぞれ、図３の縦方向に分離して結像する。図３の横方向は波長に対応する。なお、各スペクトル間の領域にバックグラウンド補正用のチャンネルを設定すれば、光束のスペクトルから差し引くことにより、分光器の迷光を除去したスペクトルを得ることができるという利点がある。
【００２０】
図４は、本発明に係る、試料反射型の分光偏光解析装置の構成を示す。
図１に示した試料透過型の分光偏光解析装置との違いだけを説明すると、白色光源２から出た光が、試料５に斜めに当たり、その反射光が検出されること、複数の検光子１２ａ〜１２ｄが横１列に並んでいること、及び光束分離集光光学系１３の構成が異なることである。
【００２１】
複数の検光子１２ａ〜１２ｄを横１列に並べたのは、反射光が図４に図示した垂線Ｂとなす角度θを、各検光子１２ａ〜１２ｄについて均一にするためである。
光束分離集光光学系１３の詳細を図５に示す。図５において、試料５から反射され、各検光子１２ａ〜１２ｄを透過した光は、それぞれ４つの平面鏡１３ａ〜１３ｄにあたり反射され、さらに凹面鏡１３１で反射され、４つの光ファイバ端面８１においてそれぞれ集光される。各平面鏡１３ａ〜１３ｄは、同一平面に置かれたものではなく、それぞれ設置角度が異なっている。これは、試料５から出て、各検光子１２ａ〜１２ｄを透過した光が、光ファイバ端面８１で別々に焦点を結ぶようにするためである。なお、図５の構成で、光ファイバ端面８１は直線状に並んでいるが、これに限らず縦横に並んでいてもよい。平面鏡１３ａ〜１３ｄと凹面鏡１３１とを入れ替えてもよい。さらに途中に平面鏡を挿入して光学系をコンパクトにすることも可能である。また平面鏡１３ａ〜１３ｄを凹面鏡として、凹面鏡１３１を省略することも可能である。図４では、偏光子４と検光子１２ａ〜１２ｄを入れ替えてもよい。また試料５と検光子１２ａ〜１２ｄに間にレン、ミラー又はその組合せを用いた集光光学系あるいは光束拡大光学系を置くことも可能である。
【００２２】
以上の試料透過型及び試料反射型の分光偏光解析装置におけるキャリブレーション及び測定の方法を説明する。ただし、以下の方法は、変形が可能であり、この方法には限定されず他の手順を採用してもよい。
(1) エリプソパラメータ測定時の装置キャリブレーション
試料透過型の場合は試料なしで、試料反射型の場合は石英板、ガラス板などのキャリブレーション用試料を用いて、エリプソパラメータを検光子の１つ（あるいは複数）を用いて回転偏光子法で測定する。
【００２３】
まず、キャリブレーション用試料の偏光特性の測定を行う。
検出強度Ｉは偏光子４の方位角Ｐの関数となる。
Ｉ＝Ｉ0 （１＋αcos ２Ｐ＋βsin ２Ｐ）
回転偏光子法で強度ＩをＰに対して求め、上の式からα及びβを求める。キャリブレーション用試料のエリプソパラメータの関数は下記式で求められる。
【００２４】
tanΨc exp(j Δc ) ＝ tanＡ／｛〔β±j(１−α2 −β2 )1/2〕／（１＋α）｝
ここでＡは検光子の方位角である。上記式は複素数なので、この式よりキャリブレーション用試料のエリプソパラメータ tanΨc と位相差Δc を求めることができる。
【００２５】
このときに位相差板２０を偏光子４と同時に回すとキャリブレーション用試料のエリプソパラメータが求められ、位相差板２０を固定としておくと位相差板２０の特性が加わったエリプソパラメータが求められる。
複数の光束の強度を用いる場合には、各々の光束の強度から求められた偏光状態χ0 、 tanΨc またはcos Δc を平均する。
【００２６】
求められた tanΨc とΔc から以下の順序で装置定数、すなわち４光束各々の検出系のゲインファクターを求める。
偏光子４の方位角をＰm と設定すると、キャリブレーション用試料を置いた時の検出光学系に入る光の偏光特性は下記式で与えられる。
χ0 ＝ tanＰm ／｛ tanΨc exp(j Δc ) ｝
各光束の検出光量は下記の式で表される。
【００２７】
Ｉａ＝ＧａＩ0 （１＋α′cos ２Ａａ＋β′sin ２Ａａ）
Ｉｂ＝ＧｂＩ0 （１＋α′cos ２Ａｂ＋β′sin ２Ａｂ）
Ｉｃ＝ＧｃＩ0 （１＋α′cos ２Ａｃ＋β′sin ２Ａｃ）
Ｉｄ＝ＧｄＩ0 （１＋α′cos ２Ａｄ＋β′sin ２Ａｄ）
ここでＧａからＧｄは光束により受光の効率が異なることから生じるためのゲインファクター（装置定数）、ＡａからＡｄは各検光子の方位角である。
【００２８】
なお、分離する光学系が３つ（３光束）の場合は、３つのゲインファクターＧａからＧｃを求めることになる。α′とβ′は下記式で与えられる。
α′＝（１−χ0 χ0 * ）／（１＋χ0 χ0 * ）
β′＝（１＋α′）Ｒｅ（χ0 ）
ここでχ* はχの共役複素数。Ｒｅは実部を表わす。したがって、ゲインファクターＧａＩ0 〜ＧｄＩ0 が計算で求められる。ある１つのゲインファクターたとえばＧａを１とすると全ての装置定数であるゲインファクターを求めることができる。これ等のゲインファクターは波長依存性があるので各波長毎に求める必要がある。
(2) 試料のエリプソパラメータの測定
次に測定試料を装着して各光束の強度ＩａからI ｄを測定する。下記式で未知数はＩ0 、α″、β″であり、方程式の数が多いので下記式より最小二乗法により未知数（α″、β″）を求める。
【００２９】
Ｉａ／Ｇａ  ＝Ｉ0 （１＋α″cos ２Ａａ＋β″sin ２Ａａ）
Ｉｂ／Ｇｂ  ＝Ｉ0 （１＋α″cos ２Ａｂ＋β″sin ２Ａｂ）
Ｉｃ／Ｇｃ  ＝Ｉ0 （１＋α″cos ２Ａｃ＋β″sin ２Ａｃ）
Ｉｄ／Ｇｄ  ＝Ｉ0 （１＋α″cos ２Ａｄ＋β″sin ２Ａｄ）
求められたα″とβ″を用い下記式より反射測定の場合の試料のエリプソパラメータΨとΔが求められる。
【００３０】
tanΨ exp(jΔ) ＝ tanＰm ／｛〔β″±j(１−α″2 −β″2 ）1/2 〕／（１＋α″）｝
透過測定で位相差特性を持つ試料の光軸方向を方位角の基準方向に設置した場合にはその縦軸と横軸での偏光の透過率の比（Ψに相当）と位相差（Δに相当）が同じ式から求められる。
【００３１】
なお、光束の数が３つの場合は、前記式には３つの未知パラメータがあり、式が３つあるので解を求めることができる。したがって、３光束の場合でもエリプソパラメータΨ，Δを求めることができる。
(3) ストークスメータの場合の装置キャリブレーション
試料透過型の場合は試料なし、試料反射型の場合は石英板、ガラス板あるいは薄い酸化膜を張ったシリコン基板などのキャリブレーション用試料を用いて回転偏光子法により、試料の偏光特性を測定する。
【００３２】
▲１▼試料４と試料５の間に置かれた位相差板の方位角を検光子の方位角の１つと同じになるように同時に回転させ、１つ（あるいはそれ以上）の光束の信号を検出して回転偏光子法でキャリブレーション用試料の特性を測定する。この場合に試料に照射する光は直線偏光である。検出強度Ｉは偏光子の方位角Ｐの関数となる。
【００３３】
Ｉ＝Ｉ0 （１＋αcos ２Ｐ＋βsin ２Ｐ）
偏光子を使って回転偏光子法で強度Ｉのグラフを求め、上の式からα及びβを求める。キャリブレーション用試料の偏光特性は下記式で求められる。
tanΨc exp(j Δc ) ＝ tanＡ／｛〔β±j(１−α2 −β2 )1/2〕／（１＋α）｝
ここでＡは選んだ光束の検光子の方位角である。ただしΔc の符号（つまり上記式の±）は装着した位相差板およびキャリブレーション用試料の特性から推定する。
【００３４】
▲２▼次に試料４と試料５の間に置かれた位相差板の方位角を０度あるいは９０度に固定する( 任意の方位角でも可能) 。１つあるいはそれ以上の光束の信号を用い、回転偏光子法により位相差板を含むキャリブレーション用治具の偏光特性を測定する。この時の強度のフーリエ係数α′とβ′から位相差板の特性が測定される。
【００３５】
tanΨrc exp(jΔrc）＝１／｛tan Ψc exp(j Δc ) ｝×tan Ａ／｛〔β′±j(１−α′2 −β′2 )1/2〕／（１＋α′）｝
ここでΨc 、Δc は(3) ▲１▼で求められた値を用いる。
▲３▼  次に偏光子４の方位角Ｐm を４種類あるいはそれ以上設定する（ｍ＝１，２，３，４，‥‥）。位相差板の方位角は偏光子４と同時に回転する場合をケース１、０度あるいは９０度に固定の場合をケース２とする。４種類の測定にはケース１とケース２が少なくとも共に１つは含まれている必要がある。
【００３６】
キャリブレーション用試料の偏光特性が判っているので、次式が与えられる。
χi ／χ0 ＝｛ tanΨc exp(j Δc ）｝
したがってこの式に相当するミュラーマトリックスＭｃ（Ψc ，Δc ）が求められる。このマトリックスはエリプソパラメータΨとΔをもつ試料のミュラーマトリックスであり下記式で与えられる。
【００３７】
【数１】
0003866849.tif 000002
【００３８】
位相差板についても同様にミュラーマトリックスＭｒが求められる。偏光方向Ｐm の場合のストークスベクトルＳi はＩ0 （１，cos Ｐm ，sin Ｐm ，０）T である。したがって検光子に入射する光のストークスベクトルＳo は下記式で求められる。
ケース１の場合；Ｓo ＝ＭｃＳi 
ケース２の場合：Ｓo ＝ＭｃＭｒＳi 
結論として４種類（あるいはそれ以上）のＳo 、つまりＳom（ｍ＝１，２，３，４，‥‥）が求められた。下記式で検出器側のストークスベクトルを求めることができる。
【００３９】
Ｓom＝Ｉ0 Ｍｃ（Ψc ，Δc ）Ｍ（Ｐm ）（１，１，０，０）T 
Ｍ（Ｐm ）は、座標回転のミュラーマトリックスである。このようにして検出系に入射する光の４種（あるいはそれ以上）の偏光状態のストークスベクトルＳom＝（Ｓ0 ，Ｓ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 ）T が計算で求められる。
４種（又はそれ以上）の偏光状態Ｓomの各々で４つの光束の測定強度をＩｍ＝（Ｉ1 ｍ，Ｉ2 ｍ，Ｉ3 ｍ，Ｉ4 ｍ）T とする。
【００４０】
Ｉｍ＝Ｃ  Ｓom
４種類（またはそれ以上）の設定条件の結果は連立方程式になりｍ行４列の変換マトリクスＣ（装置定数）が求められる。ｍが４以上の場合にはＣは最小二乗法で求めることが出来る。Ｃは各波長ごとに求めることが必要である。
これにより装置のキャリブレーションは完了する。
(4) ストークスメータの場合の測定
未知試料を所定の場所に装着し、偏光子の角度Ｐm と位相差板の方位角度を設定してある偏光を試料に照射し、４光束の強度Ｉを測定すると、
Ｉ＝ＣＳo
未知試料のミュラーマトリックスをＭS とすると、
Ｉ＝Ｃ  Ｍs ＭｒＳi 
ここでＩは測定値、Ｃは装置定数、Ｍｒはすでに求められているので、試料のミュラーマトリックスのみが未知数となる。したがって、ストークスメータの測定目的にあわせた特定の偏光を試料に照射すると上記式から、ミュラーマトリックスの要素からなる目的としたパラメータを得ることが可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように本発明の偏光解析装置によれば、従来ならば偏光素子を回転させて複数回測定するところを、同時に測定することができるので、測定時間が短くできる。したがって、高速測定が可能となり、特に試料が経時変化を起こす場合にも対応できる。
【００４２】
また、偏光素子を回転させる機構が必要ないので、装置の構造が簡単になるとともに、測定精度もよくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る試料透過型の分光偏光解析装置の構成を示す図である。
【図２】光束分離集光光学系の詳細を示す図である。
【図３】２次元検出器の検出面におけるスペクトルの結像位置を説明する図である。
【図４】本発明に係る試料反射型の分光偏光解析装置の構成を示す図である。
【図５】光束分離集光光学系の詳細を示す図である。
【図６】従来の試料透過型の偏光解析装置を示す図である。
【図７】従来の試料反射型の偏光解析装置を示す図である。
【符号の説明】
２  白色光源
３  集光光学系
４  偏光子
５  試料
６ａ〜６ｄ  検光子
７  光束分離集光光学系
８ａ〜８ｄ  光ファイバ
９  ２次元分光器
１０  ２次元検出器
１１  演算処理装置
１２ａ〜１２ｄ  検光子
１３  光束分離集光光学系
【図１】
0003866849.tif 000003
【図２】
0003866849.tif 000004
【図３】
0003866849.tif 000005
【図４】
0003866849.tif 000006
【図５】
0003866849.tif 000007
【図６】
0003866849.tif 000008
【図７】
0003866849.tif 000009