JPH10501072A

JPH10501072A - エリプソメトリー顕微鏡

Info

Publication number: JPH10501072A
Application number: JP8528613A
Authority: JP
Inventors: ブルース，エム．ロウ，
Original assignee: カンサスステイトユニバーシティリサーチフアウンデーション
Priority date: 1995-03-20
Filing date: 1996-03-20
Publication date: 1998-01-27
Also published as: US5754296A; EP0766812A1; WO1996029583A1; EP0766812A4; AU5367696A

Abstract

(57)【要約】エリプソメトリー顕微鏡10は、全般的に、単色の平行光の光線を放射する光源(14)、反射経路(60)に沿って試料から外へ反射するように、予め定めた角度で膜試料(58)上に衝突させるため、入射経路(56)に沿って光線を導く調節可能な支持組立体(12)、及び反射光線を検出するための検出器(34)を包含する。入射光線を楕円偏光させるため、偏光子(20)が入射経路(56)に沿って配置され、また、入射光線の楕円偏光を変更させるため、遠隔制御型可変リターダ(22)も入射経路(56)に沿って配置される。光線を拡張し、且つ反射光線のうち平行成分だけを通すことができるよう、膜試料(58)と検出器(34)間の反射経路(60)に沿って光線拡張子(30)を配置する。反射光線を解析する検光子(36)を検出器(34)に連結して膜試料(58)の厚さを決定する。

Description

【発明の詳細な説明】エリプソメトリー顕微鏡発明の背景 1.発明の分野本願発明は、薄膜の厚さ測定に使用する装置に関する。より詳細には、発明は、高い空間分解能と厚さ感度を有するエリプソメトリー顕微鏡に関する。 2.従来技術の説明多くの場面で薄膜の測定が必要となる。薄膜とは、可視光の波長をはるかに下回る厚さを有するような膜である。薄膜は、光学コーティング、ガラスコーティング、金属コーティング、塗料、潤滑油、及び植物栄養又は処理（剤）のような種目を包含する。半導体と、高Tc超伝導体もまた、一般的に、薄膜表面を持っている。多くの産業において、薄膜の厚さの正確な測定に関する要求は大きい。薄膜の厚さ測定用としては、干渉計、反射計、エリプソメーター（楕円偏光計）及びエリプソメトリー顕微鏡のような、様々な装置が知られている。広義には、これらの装置は、それぞれ、電磁エネルギーをもつ入射光線を検出器上へ反射するように膜試料へ当てる。次いで、反射光を解析して、膜厚を決める。これらの装置は、その波長が約７ x 10^-7m と４ x 10^-7m の間の範囲にある可視スペクトルで作動することができる。反射計は、それに加えて、その波長が約x10^-8mと x10-¹²mの範囲にあるＸ線スペクトルでも作動できる。しかし、可視波長干渉計と反射計は、薄膜の厚さを満足に測定することはできない。例えば、干渉計は、被測定膜厚が少なくとも入射光線の波長、λ、に等しい場合にだけ用いてよい。それ故、可視波長干渉計と反射計は、薄膜の厚さを測定するのに用いられないこともある。Ｘ線反射計は、薄膜の厚さを測定するのに用いてよいが、側方空間分解能が劣る。それ故、Ｘ線反射計は、薄膜試料のある領域に対する平均の厚さを検出できるが、膜試料の厚さを表面位置の関数として正確に得ることはできない。Ｘ線反射計ではまた、干渉計測、エリプソメトリー（偏光解析法）及びエリプソメトリー顕微計測には存在しない安全上の諸問題が持ち上がる。加えて、それらは比較的高価な上、一般には、少数の施設だけに設置される。従来のエリプソメトリーでは、偏光光線は、薄膜試料の表面から偏心して反射し検出器上に至る。楕円状に偏光した反射光線は、以下により詳しく論じるように、膜試料の厚さに換算して解釈し楕円偏光光は、２つの成分、即ち、以後、ｐ偏光方向と呼ぶ、光の入射面にある成分と、以後、ｓ偏光方向と呼ぶ、この面に垂直な成分との総体である。反射が起こると、ｐとｓの偏光成分の振幅と位相が、表面構造に起因して変化する。これらの変化は、典型的には、ｐとsの偏光に関して、それぞれ、複反射振幅(co mplex reflection amplitude)r_p＝ρ_peⁱ ^δ(P)とr_s＝ρ_seⁱ ^δ(s)で表され、ここで、ρは絶対振幅であり、δは位相である。エリプソメトリーでは、これらの２つの計数の比、r_p/r_sを測定する。エリプソメトリー顕微鏡の最大感度は、入射光線がブルースター角(Brewster angle)Θ_Bをなす時に出るエリプソメトリー顕微鏡は、概して、薄膜試料の方向へ向けて入射光線を放射する光源と、反射光線の反射経路に沿って配置した検出器とを包含する。エリプソメトリー顕微鏡は、一般に、２つの系統、即ち、PCSA系統とPSCA系統に分類される。PCSA系統には、光源と検出器に加えて、偏光子、補償板、及び検光子が含まれる。偏光子と補償板は、入射光線経路に沿って配置され、検光子は、反射光線経路の沿って配置される。偏光子は、ｐ及びｓ方向に等しい振幅の通過ができるようｐ及びｓ偏光方向に対し45 °の角度をなして配置される。補償板、一般には四分の一(1/4)波長板は、入射光線を楕円に偏光する。エリプソメトリー顕微鏡は、PSCA系統であってもよく、この場合は、補償板と検光子は、反射経路に沿って配置される。産業上の応用では、検出器は、通常、光電子増倍管又はフォトダイオードである。Jobin Yvon/Spex 社製の Phase-Modulated Spectroscopic Ellipsometer（位相変調分光エリプソメーター）は、慣用エリプソメーターの一例である。この装置は、薄膜の厚さを測定するのに用いてよい。しかし、光電子増倍管とフォトダイオードは、光線の断面に沿って膜試料の平均厚を測定できるに過ぎず、従って、側方の空間分解能は劣る。エリプソメトリー顕微鏡は、優れた厚さ感度とＸ線反射計又は慣用エリプソメーターより高い側方空間分解能とを実現する。最近、いくつかの研究グループが、検出器として電荷結合デバイス(charged coupled device(CCD))カメラを利用するエリプソメトリー顕微鏡を開発した。CCD カメラは、典型的には、感光性画素の大きい、例えば、512 x 512 の配列から成る。CCD カメラで検出される画素対画素の強度の変化により、薄膜の厚さの空間変化のついての情報が与えられる。 Liu、Wayner及びPlawsky によって開発された画像走査型エリプソメーター(IS E)は、CCD カメラの検出器を有するPCSA方式のエリプソメトリー顕微鏡である。彼等の装置は、補償板と検光子が回転されて偏光光線の消衰を生ずるゼロ(null)エリプソメトリーに基づいている。ゼロ点として知られている、消衰点に到達すると、偏光子、検光子、及び補償板の方位角の測定値が記録され ISE は、優れた厚さ感度をもたらすが、強度がゼロの点の厚さ情報を与えるに過ぎない。それ故、膜厚は、位置の連続的関数として決定できず、不連続位置で決められるだけである。 Cohn、Wagner及びKrugerによって開発された動的結像マイクロエリプソメーター(DIM)は、非ブルースター角で作動するPSCA方式のエリプソメトリー顕微鏡である。非ブルースター角で作動することにより、この装置は、ブルースター角で作動するエリプソメトリー顕微鏡の比較的大きい厚さ測定感度を使わない。 DIM は、CCD カメラの検出器上に実像を形成する結像レンズを利用するものである。そのようなレンズの使用においては、膜試料のただ１つのストリップ（細片）だけがカメラにフォーカス（焦点合わせ）されることになる：何故なら、膜試料の別の部分がフォーカスされるとその他の部分は焦点から逸れる。このデフォーカス（焦点ずれ）効果が、像面の歪みを生じ、これは、全ての部分がフォーカス状態にある全膜試料表面のマップを作り出せるよう、結像レンズの様々な位置に該当する膜試料表面の多連続画像を撮って一緒に接合することでのみ克服できるものである。しかし、マッピングは、元来、困難であり、且つ、しばしば、隣接画像が重なり、膜試料表面の歪視野を生ずることになる。デフォーカシングは、CCD カメラの使用上、従って、エリプソメトリー顕微鏡の利用上、由々しい問題である。楕円率係数を決めるため、DIM は、検光子を４つの異なった設定点、0°、45 °、-45°、及び90°に機械的に回転させ、そしてこれらの設定点の各々における反射強度を測定する。検光子のような、これらの光学装置は、複雑な補正処置でのみ決定し得るユニークな欠陥を包含している。結果として、光学部品の回転で、膜試料表面上の共通位置に対応する反射光線経路が種々の検光子角度に関して変えられることになる。それ故、ある検光子角度に該当する反射光線は、CCDカメラ上の、別の検光子角度に該当する反射光線と同じ点に当たらない。この効果は、ビームウォーキング(beam walking)として知られているものである。位相シフトした光線の強度は、正確な読みを得るには共通画素をベクトル的に付け加える必要があるので、ビームウォーキングは、エリプソメトリー顕微鏡の重大な精度不足を来す。 Beagleholeによって開発された微視的結像エリプソメーター（MIE）は、PCSA 方式のエリプソメトリー顕微鏡である。Beaglehole 定し、且つ反射強度が測定される種々の角度に検光子よりむしろ補償板を回転させるということを除けは、DIM に類似している。それ故、DIM に関わるデフォーカシング及びビームウォーキング問題は、Beagleholeのエリプソメトリー顕微鏡にもある。 Beagleholeの顕微鏡は、楕円率係数の測定に必要な単色入射光線を作るのに白色光源と600 nmフィルターを利用する。しかし、Beagleholeの顕微鏡に用いられるCCDカメラは、前述の光源の信号が弱いためその光源と共に用いるのに足りるだけの感度がない。これが、膜厚測定における不確かさを招くのである。たPCSA方式の機器構成を有する反射計であり、その違いは、光源として高電力、即ち0.5Wのアルゴンイオンレーザと、ｐ方向の入射光線の偏光とを使用していることである。しかし、ブルースター角で作動するエリプソメトリー顕微鏡固有の特性として、入射光線の大量のエネルギーが膜試料に吸収される。それ故、アルゴは、破損するか、そうでなければ、被測定膜試料の諸特性を物理的に変化させることがある。他の従来技術のエリプソメトリー顕微鏡に関わるデフォーカシング及びビームウォーキング問題は、光線の強度が中央で相対的に大きく、光線の中心からの半径方向の距離の関数として徐々に小さくなる、光線分布のガウス型変化によって、反射光線の測定強度値が不正確になる。従来のエリプソメトリー顕微鏡は、画素毎の補正ではなくて、全フレームの補正を与えるに過ぎず、そのため、側方空間分解能を下げ、従って、CCD カメラの効用を低下させることになる。それ故、連続した位置関数として薄膜の厚さ情報を与え、ビームウォーキングを排除し、且つ光線分布におけるガウス型変化を克服するべく検出強度の画素毎の補正を実行できるエリプソメトリー顕微鏡の実現には、従来技術では、重大で且つこれまで未解決である要求が提起されるのである。発明の概要本願発明は、上文で論じた従来技術の諸問題を解決し、且つ技術状態の明瞭な進歩をもたらすものである。より詳細には、この文書のエリプソメトリー顕微鏡は、薄膜の厚さを位置の関数として正確に決め、楕円率係数を決めるのに必要な諸測定を行うことに関連したビームウォーキングを排除し、且つ光線分布におけるガウス型変化を排除するために検出強度の画素毎の補正を実行する能力を包含する。好ましいエリプソメトリー顕微鏡は、概して、単色の平行光の入射光線を放射する光源装置と、予め決めた角度で膜試料に衝突するよう入射経路に沿って入射光線を誘導し、複数の成分を含む反射光線が反射経路に沿って膜試料から反射するようにする装置と、入射光線を楕円偏光させる偏光装置と、入射光線の楕円偏光を変える装置と、反射光線を検出するための検出装置と、膜試料の厚さを決めるために反射光線を解析するための検出装置と結合させた解析装置と、膜試料と検出装置間の反射経路にあって、光線を拡張し且つ反射光線の平行成分の通過のみを許容する光線拡張装置とを包含する。同顕微鏡は、さらに、入射光線の楕円偏光を光学部品の機械的移動をさせずに変更する装置と、反射光線の強度を画素毎のやり方で補正する補正装置とを包含する。好ましい具体例の光源装置は、レーザ光源である。他の光源も用いてよい。例えば、モノクロメーターを有するキセノン光源は、膜試料の厚さを測定するのに用いてよい選択できる単色光の光線を放射する。該キセノン光源は、光線の波長を調節する機能を有しており、これは、複数の膜層を有する試料の個々の膜層の厚さを測定するときに望ましいものである。誘導装置は、垂直支持ビーム、枢軸で旋回するように反射アームと結合した入射アーム、及びウォームねじを含む支持組立体を包含する。ウォームねじは、入射光線の入射角を、従って反射光線の反射角を調節するのに用いる。入射アームと反射アームは、顕微鏡の種々の光学部品類を支持する。偏光装置は、偏光子と入射光線経路に沿って配置した様々なリターダ（減速子）とを包含する。これらの光学部品類は、入射光線を楕円偏光するもので、楕円偏光を変更して膜試料の厚さを測定できるよう電気的に調節してよい。検出装置は、反射光線が検出装置に当たるよう配置され、電荷結合検出器(CCD)カメラのような、検出器カメラを包含する。CCD カメラは、反射光線の強度を記録する画素配列を含む。解析装置は、CCD カメラに接続されたコンピュータと、反射光線の測定強度を解釈してその強度を楕円率係数に換算して定量化できるよう、従って、膜試料の厚さを決定できるよう設計された、コンピュータ搭載のコンピュータプログラムとを包含する。光線拡張装置によって、反射光線のうち、光線拡張装置に入る際に平行である成分だけがCCDカメラに当たるよう確保される。光線拡張装置は、従来技術のようにはカメラ上に実像を形成せず、したがって結像平面の歪みによって生じる従来技術のデフォーカス問題が解決される。入射光線の楕円偏光を光学部品の機械的移動をさせずに変更する装置は、入射光線経路に沿う液晶可視リターダの使用を含む。該リターダは、コンピュータで制御され、そのため、リターダに印加される電圧を可変して入射光線の楕円偏光を変えることができる。それ故、ビームウォーキングという従来技術の問題が排除される。反射光線の強度を補正する補正装置は、反射光線の空間的強度変化を除去する。それ故、膜厚は、位置の連続関数として計算することができる。図面の簡単な説明図１は、本願発明の好ましい装置の略図であり；図２は、図１の装置の光線経路と構成部品類の線図であり；そして図３は、図１の装置の光線と膜試料との相互作用の反射線図である。好ましい具体例の詳細な説明図１は、本願発明の好ましい装置10を図解する略図である。装置10は、支持組立体12、光源14、光強度スタビライザ16、中間濃度フィルター18、直線偏光子20 、入射可変リターダ22、振動隔離試料支持台24、反射可変リターダ26、反射直線偏光子28、光線拡張子30、絞り32、電荷結合デバイス(CCD)カメラ34及びコンピュータ36を包含する。支持組立体12は、垂直支持ビーム38、ビーム38の下方端末に隣接して取り付けたピボット44によって反射アームに枢軸で旋回するように結合した入射アーム40 、ビーム38の面に沿って伸び且つステッピングモータ48と結合したウォームねじ 46、及びピボット54によって拡張ロッド52と枢軸で旋回するように結合した拡張ロッド50から成る。ウォームねじ46は、ピボット54によって貫通可能な形で受けられ、且つロッド50、52の遠端は、アーム40、42とヒンジで連結する。入射アーム40は、部品類14、16、18、20及び22を支持し且つ一直線に配置し、反射アーム 42は、部品類26、28、30、32及び34を支持し且つ一直線に配置する。光源14は、好ましくは、Melles Griot社から入手可能な約632.8 nmの波長をもつ光の単色光線を放射する５ mW He-Neレーザである。典型的に、He-Ne レーザは、ほぼ2%の強度変動を呈する。Conoptic社市販の強度スタビライザ16を設ければ、200 Hzで約250/1 の比の程度までレーザのノイズが減少する。中間濃度フィルター18は、光源14からのレーザの強度をほぼ1.0と2.0 μWの間まで落とす。光源14は、構造59を覆っている薄膜試料58上に、そこから反射して反射光線60を生ずるように、衝突する入射光線56を放射する。直線偏光子20と28は、Meadowlark Optics社から入手できるシート偏光子であり、それぞれ、10^-5という消衰比を呈する。偏光子20と28は、図２に説明するように、ｓ及びｐの偏光方向に対して、両偏光の等しい振幅を通すよう45°に向けて配置される。従って、偏光子20の後の光の電気ベクトルは、リターダ22と26は、Meadowlark Optics 社から入手できる液晶可変リタードであり、以下にさらに説明するようにコンピュータ36で制御される。リターダ22に対しては、板の光学画素がｐ方向に平行に設定される。図２は、光軸 fを有するリターダ22を示す。リターダ22通過後の入射光線56の電界は、となり、ここで、-δは、リターダ22通過による入射光線56の位相シフトを表す。膜試料58の表面から反射後、反射光線60の電界は、となり、ここでρ_pとδ_pは、それぞれ、膜試料58と構造59からの反射によるｐ方向の反射振幅と位相シフトを表し、ρ_sとδ_sは、それぞれ、ｓ方向の反射振幅と位相シフトを表す。図３は、膜試料58と構造59からの入射光線56 の反射を示す。光線成分60a は、膜試料58上への衝突直前の光線56と同一の電界を有し、一方、光線成分60b は、上述の反射光線60と同じ電界を有するということは、熟練した当業者には明らかとなろう。その後、反射光線60は、ｐ方向に平行に配置されているリターダ26と、ｐ及びｓ方向に45°の角度でセットされている直線偏光子28とを通過する。偏光子28の後の電界は、光単位ベクトルである。カメラ34上の光の強度は、となり、ここで、△≡δ_p-δ_s及びρ≡｜r_p/r_s｜=ρ_s/ρ_sである。光線拡張子30は、顕微鏡対物レンズ62と凸レンズ64から成り、約9.77の拡大比を与える。Melles Griot社から市販のせん断板(shear plate)は、レンズ62上への平行入射光が拡大され、平行光としてレンズ64から確実に放射されるようレンズ62と64を正確に配置するのに用いられるものである。せん断板は、レンズ62と 64がいったん正確に配置されてしまえば、エリプソメトリー顕微鏡の通常の操作には用いない。絞り32は、レンズ62、64の共焦点に置かれ、それによって、反射レーザ光、即ち、反射光線60だけがCCD カメラ34に到達できる。 CCD カメラ34は、Princeton Instruments 社から入手可能な、熱電的に冷却した低速走査CCDカメラであり、画素当り約500,000光電子のフルウェル(full well )容量を示す。カメラ34の量子効率は約40%であり、それは512 x 512画素を有し、結果としてサイズ27 x 27 μm²の各画素について16ビットの分解能となる。各画素は、膜試料表面の約３ x 11μm²の面積を画像化し、それについて65,000分の1 より正確に強度を決定できる。カメラ34のシャッター開放時間は、典型的に、50ms に設定される。コンピュータ36は、好ましくは、40メガバイトのメモリを有するMacintosh Ce ntris 650型パーソナルコンピュータである。コンピュータ36は、制御リターダ2 2、26及びステッピングモータ48と電気的に結合され、カメラ34からの出力を受信する。コンピュータ36は、リターダコントローラ68を介してリターダ22に接続されている。リターダコントローラ68は、好ましくは、Meadowlark Optics社から市販の、液晶ディジタルインタフェースコントローラ,#ILV-D 1040型である。コンピュータ36は、コントローラ68操作用の、National Instruments社製GPIBインタフェースカードを包含する。リターダコントローラ70は、Meadowlark Optics社から市販の、液晶コントローラ,#CLV-B 1020型である。コンピュータ36は、コントローラ70を操作し、従ってリターダ26を調節するための、National Instruments社製24ビットパラレルディジタルI/Oインタフェースカードを包含する。コンピュータ36は、ステッピングモータコントローラ72を介してステッピングモータ48に接続する。コントローラ72は、Biomed ical Technology社から入手可能な、#SMC-212A型である。GPIBインタフェースカードは、ステッピングモータ48の操作用としてコントローラ72に接続する。コンピュータ36は、検出器コントローラ74を介してCCDカメラ34に接続する。コントローラ74は、好ましくは、Princeton Instruments社製#ST-135型である。カメラ34を操作し且つ反射光線60から強度データを収集するためコントローラ74 にGPIBインタフェースカードを接続する。コンピュータ36は、付録Iに示すコンピュータプログラムに従って装置10の動作を制御する。好ましいプログラムは、National Instruments LabView 3.0.1に書かれている。一般に、装置10は、入射リターダ22で選択されるような、２つの異なった位相角、δ=π/2及びδ=3π/2での反射光線60の強度を表す、強度Iπ_/2 及びI₃π_/2を測定することにより、膜試料58の厚さを測定するものである。これらの強度測定値から、１つの比がコンピュータ36での波長をはるかに下回る厚さを有する薄膜に関して、且つその入射角がブルースター角と等しい場合に有効な、いわゆるドルーデの式(Drude equation) により厚さ変化に換算して直接解析してよい。ドルーデの式において、ε(z)は、膜試料58の表面に垂直な深さzの関数として誘電プロフィールを表す。誘電プロフィールは、ε₁、蒸気の比誘電率、ε₂、塊状基板の比誘電率とは異なる。本願発明の装置10は、約1Åの厚さの分解能、従って約1μmの側方空間分解能を持つ。操作に当たり、入射光線56が、図２に示すように、いわゆるブルースター角、Θ_B、で膜試料58に向けられるよう、最初に、アーム40と42を調節する。ブルースター角は、複反射振幅の実数成分、Re(r_p/r_s)がゼロになり、虚数成分、Im Re(r_p/r_s)は、次式を使って決められる：ここで、I₀は、リターダ22の位相シフト、δ、が0の場合のカメラ34上の光線60 の反射強度を表し、Iπは、δ=πに対する光線60の反射強度を表す。Re(r_p/r_s) の測定は、最初に、0に設定されたリターダ26の位相シフトに関して行われ、これは、ｐ方向に対し追加測定は、πに設定されたリターダ26の位相シフトに関して行する。前述の情況下では、式７の右手側の符号だけが変わる。Re(r_p/r_s)の平均値は、これら２つの読みの間の差をとることにより決められる。コンピュータ36 は、ステッピングモータ48を制御して、Re(r_p/r_s)がゼロになるまでアーム40と4 2を調節する。ブルースター角がいったん設定されると、装置10は、複反射振幅の虚数成分、 Im(r_p/r_s)を決めることによって膜試料58の厚さを即座に測定することができる。虚数成分は、リターダ22の位相シフトがそれぞれδ=π/2及びδ=3π/2に設定される場合の測定強度Iπ_/2及びI₃π_/2を用いて決められ、次式で表される：虚数成分の測定は、最初に、0に設定されたリターダ26の位相シフトに関して行われる。虚数成分の追加測定は、πに設定されたリターダ26の位相シフトに関して行われる。前述の情況下では、上式の右手側の符号だけが変わる。虚数成分の平均値は、これら２つの読みの間の差をとることにより決められる。薄膜に関しては、上式の分母のρ²は1に較べて無視でき、それ故、虚数成分は、Im(r_p/r_s) から直接決めてよい。均一な薄膜については、ε(z)はzとは無関係な定数であり、それ故、膜厚は、Im(r_p/r_s)とドルーデの式から決めてよい。複反射振幅の実数及び虚数成分の平均値を決めるに当たり、偏 30に固有の複屈折効果で引き起こされる任意の系統的エラーを除去するため、± 45°の間でシフトさせる。この処置は、ゾーン平均法として知られているものである。上述の位相角δ=π/2及びδ=3π/2に関する光線60の反射強度間の差と和の比を計算することにより、光線60の分布におけるガウス型変化の影響が排除される。上述の強度比を決めることによって、項E₀は比の式から抜けるということは、熟練した当業者に明らかとなろう。このように、光のガウス型性質に起因するE₀ の変化の影響、従って、反射光線60の強度変化は、比の式に何ら影響を及ぼさず、且つ、それ故、画素毎の補正が達成され、このため、反射光線60の強度における空間変化の何れも排除され、従って、厚さの情報が位置の連続的関数として与えられる。絞り32とレンズ62、64を有する光線拡張子30によって、相互に関して平行である光線60の成分だけがカメラ34に当たる、ということが保証される。この方式は、干渉計におけると同じ程度に、レーザ光の平行化可干渉性に依存しており、従って、従来法のように、カメラ34上に実像を形成する必要性は、不要となる。カメラ34上に実像が形成されない故、傾斜像面の歪みはない。それ故、入射光線56 がその上に衝突した膜試料58の正確な画像が形成される。結果として、膜試料58 の表面を走査する必要がなく、そして傾斜像面によって起こされる従来技術のデフォーカス問題も解決されるのである。ビームウォーキングとしても知られている、従来技術の光線移動問題は、様々な光学素子の回転に起因するものである。装置10は、可変リターダ22と26を利用してビームウォーキングを排除する。コンピュータ36とコントローラ68で制御される可変リターダ20によって、入射光線56に関連した位相角δｐ及びδｓのシフトが、その機械的移動無しで達成できるということは、熟練した当業者には明らかとなろう。従って、位相角のシフトに関わる従来技術のビームウォーキング問題は解決される。リターダ26は、光学部品類の固有の複屈折効果のどれも打ち消すためにゾーン平均法を実行できるようｐ方向に関して±45°の間で偏光角をシフトさせるのに用いる。コンピュータ36とコントローラ70で制御されるリターダ26を用いることにより、偏光角は、その機械的移動無しでシフトできる。結果として、従来技術のビームウォーキング問題は、ゾーン平均法を実施することにより解決される。装置10が、図解した具体例を参照して記述されたが、留意されることは、諸変形及び諸変化を行ってよく、等価物はクレームに詳述する発明の範囲から逸脱することなく採用してよい、ということである。例えば、光源14は、必ずしもレーザ光源である必要はない。キセノン光源のような、放射光線として利用できる可変波長を有する平行化光源を使うことができる。１つの独特な波長の通過を可能にするモノクロメーターは、正確な測定には必ず包含されるであろう。モノクロメーターは、一般に、入射光線56の波長がその後も調節できるように調節される。複数の入射光線の波長の可用性は、膜試料58が複数の全然異なった膜層を含む時に望ましいものである。加えて、そのような光源によって、膜の誘電率定数εの決定、並びに、薄膜のみならず光の波長の範囲の、またはそれを上回る厚さを持つ厚膜に関する膜試料の厚さ決定が、種々の入射角及び様々な波長で実数及び虚数成分を測定することにより可能となろう。厚膜の測定には、ドルーデの式は使われない。入射光線56は、光ファイバケーブルの出力コネクタがアーム40に固定して取り付けられ且つ入射光線56が正確に平行化される限り、その光ファイバケーブルを経由して入射アーム40へ送ることができる。光源の所に偏光したレーザが使われる場合、単一モード偏光を維持する光ファイバケーブルを使うことが有利なこともある。ポッケルスセル(Pockels cell)、カーセル(Kerr cell)、又は他の適当な電圧制御デバイスをリターダ22、26の代わりに用いてもよい。ポッケルスセルとカーセルは、入射光線56の位相角をシフトさせるのに使うことができる電圧制御デバイスである。該デバイスは、リターダ22、26より速いスイッチング時間を与え、また、膜試料58が液体基層の頂上面上にある場合に望ましいこともある。膜試料 58が液体を覆っている時は、振動の隔離がさらに困難であり、そのために、そのような応用では、ポッケルスセルとカーセルに関連した比較的速いスイッチング時間がますます望まれることになる。その上に入射光線56が衝突する膜試料58の領域は、入射光線56の経路の入射アーム40上に設けられた光線拡張子を使って拡大してよい。そのような位置にある光線拡張子によって膜試料58の比較的広い部分について厚さが決められるであろう。入射アーム40上に設けられた光線拡張子は、側方空間分解能を低下させるという逆効果も持つことになろう。光線拡張子30の代わりにズーム光線拡張子を用いてもよい。そのようなデバイスによって、装置10のオペレータは膜試料58の大きい領域を観察でき、且つ対象とする分離領域をズームインすることができよう。対象領域は、一般に、膜試料 58における異常が検出される所にある。対象領域を視野内に移動できるようにするため、ズーム光線拡張子とカメラ34をＸ−Ｙ移動台上に取り付けてもよい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims

【特許請求の範囲】１．薄膜試料の厚さを測定するための装置において、単色の平行光の入射光線を放射する光源装置と；予め決めた角度で膜試料に衝突するよう入射経路に沿って前記入射光線を誘導し、そこで複数の成分を含む反射光線が反射経路に沿って膜試料から反射するようにする装置と；前記入射光線を楕円偏光させる偏光装置と；前記入射光線の楕円偏光を変える装置と；前記反射光線を検出するための検出装置と；膜試料の厚さを決めるために前記反射光線を解析するための前記検出装置と結合させた解析装置と；膜試料と前記検出装置間の前記反射経路にあって、前記反射光線を拡張し、且つ相互に関して平行である前記反射光線の前記成分の通過を許容する光線拡張装置とを含んで成る装置。２．前記光線拡張装置が、前記反射経路に沿って配置された対物レンズ、凸レンズ、及び絞りを包含し、前記の対物レンズと凸レンズが共焦点を定め、前記絞りが前記共焦点に配置されることを特徴とする請求項１記載の装置。３．前記光源装置がレーザ光源を包含する請求項２記載の装置。４．前記レーザ光源がヘリウム−ネオンレーザである請求項３記載の装置。５．前記光源装置が、複数の異なった放射波長を有する光源と、入射経路に沿って配置されて異なった放射波長の通過を許容するモノクロメーターとを包含する請求項２記載の装置。６．前記光源がキセノン光源である請求項５記載の装置。７．前記偏光装置が、前記入射経路に沿って配置された液晶可変リターダを包含する請求項２記載の装置。８．前記検出装置が、電荷結合デバイス・カメラを包含する請求項２記載の装置。９．薄膜試料の厚さを測定するための装置において、単色の平行光の入射光線を放射する光源装置と；予め決めた角度で膜試料に衝突するよう入射経路に沿って前記入射光線を誘導し、反射光線が反射経路に沿って膜試料から反射するようにする装置と；前記反射光線を検出するための検出装置と；膜試料の厚さを決めるために前記反射光線を解析するための前記検出装置と結合させた解析装置と；前記入射光線を楕円偏光させる装置であって、前記入射光線が位相角を表す成分を有し、前記位相角を機械的移動をさせずに選択的に変更する装置を包含する偏光装置とを含んで成る装置。 10．前記の位相角を選択的に変更する装置が、前記入射経路に配置された液晶可変リターダを包含する請求項９記載の装置。 11．さらに前記反射経路に配置された液晶可変リターダを包含する請求項１０記載の装置。 12．前記の位相角を選択的に変更する装置が、前記入射経路に配置されたポッケルスセルを包含する請求項９記載の装置。 13．前記の位相角を選択的に変更する装置が、前記入射経路に配置されたカーセルを包含する請求項９記載の装置。 14．薄膜試料の厚さを測定するための装置において、単色の平行光の入射光線を放射する光源装置と；予め決めた角度で膜試料に衝突するよう入射経路に沿って前記入射光線を誘導し、反射光線が反射経路に沿って膜試料から反射するようにする装置と；前記入射光線を楕円偏光させる装置であって、前記入射光線が位相角を表す成分を有し、前記位相角を選択的に変更する装置を包含する偏光装置と；前記反射光線を検出するための電荷結合デバイスと；膜試料の厚さを決めるために前記入射光線を解析するための前記検出装置と結合させた解析装置であって、異なった位相角における前記反射光線の強度を測定し、且つ前記試料の厚さを計算するため前記位相角を使って比を定めるための装置を包含する解析装置とから構成されることを特徴とする装置。