JPS63148108A - エリプソメ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は光の偏光という特性を利用して、物体（試料
面）上の薄膜の厚さや試料面上の膜の物性に関する屈折
率を測定するエリプソメータに関するものである。

従来の技術 第１図に示すように、表面に薄膜２を有する試料１の表
面に、直線偏光を斜め上方から入射角ψ０で入射させれ
ば、試料表面上の薄膜厚さや屈折率によって反射光の偏
光状態が変化し、通常は楕円偏光となって反射される。

そこでこの反射光の偏光変化量を測定し、解析計算を行
なうことによって、試料表面の薄膜の厚さや屈折率を求
めることができ、これをエリプソメ１−りと称し、また
その装置を一般にエリプソメータと称している。

このようなエリプソメータにおいて薄膜の厚さや屈折率
を求めるために必要な反射光の偏光変化量の重要なパラ
メータとしては、反射によって水平ｐ座標面上における
ｐ成分波とそれに垂直なＳ座標面上のＳ成分波との間に
生じた位相ずれγと、ｐ成分波とＳ成分波との反射率の
相違に起因して生じた画成分波の振幅の相違による偏光
の主軸方位の変化置市とがある。

ところで従来のエリプソメータとしては、大別して測光
型のものと消光型のものとの２種のタイプのものがある
。測光型は、偏光プリズムを連続回転させてζその角度
と検出された光強度との関係から位相ずれγと主軸方位
の変化置市を計算によって求めるものである。一方消光
型は、試料で変化した偏光を光学素子の回転によって元
の状態に戻し、その補償角から位相ずれγと主軸方位の
変化１１４／を求めるものである。そしてこれらの２方
式は、いずれも光の強度の変化量、すなわち光検出器の
直流分の出力を測定することによって必要な清報を得て
いる。

発明が解決すべき問題点 従来のエリプソメータのうち、測光型のものは、偏光変
化量のパラメータである位相ずれγおよび主軸方位の変
化置市を計算で求めているため、強度比の大きい直線偏
光に近いところでは、測定精度が悪くなる問題がある。

一方消光型では、偏光角度を直接的に角度として測定す
るため１、偏光プリズムの性悪極限までの高い測定精度
が得られる利点もあるが、測定時に偏光プリズムの回転
移動を伴なうため測定時間が長い欠点がある。

そして測光型、消光型の両者に共通の欠点として、光強
度を直流成分として検出しているため、背影光などの影
響を直接受け、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が悪い問題がお
る。

したがってこの発明は、背影光の影響などを受けること
なく高いＳ／Ｎをもって高精度かつ短時間で物体上の薄
膜や屈折率を測定することができるエリプソメータを提
供することを目的とするものである。

問題点を解決するための手段 この発明のエリプソメータでは、基本的には試料に直線
偏光を入射して、反射される楕円偏光における振幅反射
係数比ｒｐ／ｒｓ（ミρ＝ｔａｎｖ）および位相差（リ
ターデーション）γを求め、その振幅反射係数比ｒｐ／
ｒｓと位相差γから、試料の複屈折率や薄膜の厚さを求
めるものである。

そしてこの発明のエリプソメータで＋１、符に光路中に
位相変調素子を挿入して、試料への入射光もしくは反射
光を変調させ、光検出器の信号からその変調周波数に同
期して変調周波数の成分、変調周波数の２倍の周波数成
分、および直流成分を取出し、これらの各成分の大きざ
から反射係数比および位相差を求めて、最終的に試料の
複屈折率の値および／または薄膜の厚さを計算によって
求めるようにした。

具体的には、第１発明は、直線偏光を試料面に入射せし
めてその反射光の偏光状態から試料面に関する値を測定
するエリプソメータにおいて、試料面への入射光の光路
中に、試料面への入射直線偏光の偏光方位を一定に保つ
ように直線偏光素子を配置し、試料面からの反射光の光
路中に、振幅δ０、変調角周波数ωなる位相変調素子を
その遅近軸が入射面に対して４５°となるよう配置する
とともに、その位相変調素子の出射側に、透過軸が入射
面に対して平行もしくは垂直となるように検光子を配置
し、さらにその検光子の出射側に光を光電変換するため
の光検出器を配置し、その光検出器の出力信号のω成分
、２ω成分および直流成分をそれぞれ独立して取出すた
めの信号成分分離回路を設け、前記各成分から演算によ
って試料面の反射係数比ｒｐ／ｒｓおよび反射光の位相
変化γを求め、それに基いて試料面の屈折率および／ま
たは試料面の薄膜の厚さを求めるようにしたことを特徴
とするものでおる。

また第２発明のエリプソメータは、位相変調素子と試料
の配列を第１発明の場合と逆にしたものでおる。すなわ
ち第２発明のエリプソメータは、直線偏光を試料面に入
射せしめてその反射光の偏光状態から試料面に関する値
を測定するエリプソメータにおいて、試料面への入射光
の光路中に、・直線偏光の偏光方位を一定に保つための
直線偏光素子を配置するとともに、その直線偏光素子と
試料面との間に振幅δ０、変調角周波数ωなる位相変調
素子をその遅延軸が入射面に対して４５°となるように
配置し、試料面からの反射光の光路中に、透過軸が入射
面に対して平行もしくは垂直となるように検光子を配置
し、さらにその検光子の出射側に光を光電変換するため
の光検出器を配置し、その光検出器の出力信号のω成分
、２ω成分および直流成分をそれぞれ独立して取出すた
めの信号成分分離回路を設け、前記各成分から演算によ
って試料面の反射係数比ｒｐ／ｒｓおよび反射光の位相
変化γを求め、それに基いて試料面の屈折率および／ま
たは試料面の薄膜の厚さを求めるようにしたことを特徴
とするものである。

作　　用 この発明のエリプソメータの作用を説明する前に、先ず
エリプソメータの測定原理について説明し、それに続い
てこの発明のエリプソメータの理論的解析をその作用と
ともに説明する。

Ａ：エリプソメータの測定原理 エリプソメータは、物体の表面で光が反射する際の偏光
状態の変化を観測して、物体自身の光学定数（屈折率）
または物体の表面に付着した薄膜の厚さと光学定数（屈
折率）を知る方法でおる。そこで先ず物体自身、すなわ
ち薄膜がない場合の下地の光学定数の測定原理を、続い
て薄膜がある場合の薄膜の厚さと光学定数の測定原理に
ついて分けて説明する。

Ａ−１：下地の光　７′数の？ｊ！！Ｉ″″先ず試料の
光学定数を百＝ｎ−ｉｋとする。

ここで盲は複素数屈折率、ｎは屈折率、ｋは吸収係数、
１は虚数単位である。

真空中から入射角ψ０で入射する単色平行光束の入射面
に平行な撮動成分（ｐ成分）の振幅反射率（フレネル係
数）をて２１入射面に垂直な撮動成分（Ｓ成分）の振幅
反射率（フレネル係数）を′？′″Ｓとし、これらをそ
れぞれ７′″ｐ　＝　ｒｐ　ｅＸｐ（−ｉφｐ　）　　
　　　（１）’？”ｓ　＝　ｒ　ｓ　ｅＸｔ）（−ｉφ
ｓ　）　　　　　　（２）とする。これらは試料の光学
定数’ｆｉ＝ｎ−ｉｋと入射角ψ０との関数となってい
る。

吸収係数に＝ｏの透明体試料では一般にφＰ、φＳはＯ
またはπ、従って？ｐ、Ｔ−ｓは実数でおるので、入射
した直線偏光は楕円偏光とならずに、直線偏光として反
射される。

しかし、金属などの吸収体試料（ｋｆ＝ｏ）では、反射
に起因する位相差（リターデーション〉γ、すなわち γ＝φＰ−φ５（３） は、入射角ψ０の値によって、Ｏからπまで連続的に変
化するから、一般に’？”ｐ／？″Ｓは複素数（？ｐ　
ＳでＳの各々も複素数）である。

＝　ｔａｎｖｅＸｐ　！γ ＝ρｅｘｐ　ｔγ　　　　　　　　（４）と書き、−Ｖ
ミρ（＝ｒｐ、”ｒｓ＞を（膜幅反射率比または振幅反
射係数比（実数）と呼んでいる。

このように吸収体試料では７′″ｐ／？ｓが復素数であ
るから、入射した直線偏光は楕円偏光として反射される
。

その楕円偏光のパラメーターを二つ（たとえば、楕円の
長軸の方位角αと楕円率Ｘ）を測定すれば、それから振
幅反射率比ρ；−里と位相差（リターデーション）γを
求めることができる。この二つの量ｔａｎｖ、γ・と屈
折率ｎおよび吸収係数にとの間には、次の様な関係式が
知られている。

ｎ２−に２ したがって、ψの値とγの値を知れば、試料の屈折率ｎ
と吸収係数ｋを求めることができるのである。

Ａ−２：薄膜の　さと　蛍定数の決 第２図に示すように、屈折重石２＝ｎ２−１に２　（既
知とする）の下地面上に屈折率ｈ１＝ｎ１−ｉｋ１、厚
さｄの等方均質な薄膜２があり、これに入射角ψ０で直
線偏光が入射するものとする。

反射光Ｒは薄膜表面で反射した光Ｒ１や、薄膜と下地の
境界面で反射してくる光Ｒ２、以下薄膜中を往復しなが
ら出てくるＲ３以降の光の合成とすなる。すなわち、 Ｒ＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋・・・　　　　（７）膜内での
繰返し反射干渉を考慮に入れた面全体としての振幅反射
率は、ｐ成分、Ｓ成分に対して、それぞれ −’？”ｔｓ＋’？”２ｓｅｘｐ（−ｉδ）Ｒ３＝　　
　　　　　　　　　＝Ｒ３ｅ　’φＳ１＋Ｆ″ｔｓ？″
２ＳｅＸＥ）（−ｉδ）（９）で与えられる。

ここで、 （ｊ＝１．２＞ ｎ　ｊ−Ｉ　５ｉｌｌψｊ−１＝　？’ｉ　ｊ　Ｓｉｎ
ψｊ（１２）δ＝４πｎ［ｊｃｏｓψ１／λ　　　　　
　　（１３）であり、てＪＰＮ？″ＪＳは、ｊ＝１のと
きは、第１面（真空−膜）、ｊ＝２のときは第２面（膜
−下地）におけるｐ、Ｓ成分の振幅反射率（フレネル係
数）である。またδは、膜幅１往復によって生ずる位相
差でおり、λは真空中の波長である。

ここで、Ｒｐ／ＦＥｓはテＪＰなどのフレネル係数やδ
が実数でも複素数になるから、反射光は楕円偏光になる
。

複素数反射係数比Ｒｐ／Ｒｓは、（４）式と同様に ＝ｔａｎＶｅＸＤ（ｉ　７　＞　　　　　　　　　　（
１４）とあられされる。

ここで、右辺の値ｔａｎ　ｖ、γはエリプソメータで測
定される量であり、一方左辺の係数比は、（６）〜（１
１）式から理解できるように、Ｆｉｔ　　（ｎｔ　、ｋ
ｔ　）、ｎ２　（ｎ２　、に２＞、ｄ。

λ、ψ０の関数となっている。すなわちγ、Ｖ ＝Ｆ　（ｎｌ　、ｎ２．ｋｔ　、に２．ｄ、λ、ψ０）
（１５）式の右辺のパラメータの内、ｎ２、Ｒ２、λ、
ψ０を既知として、測定値γ、軍を用いれば、未知数と
してｎｌ、ｄ＠解くことができる。

例えば、ｋ１＝Ｏ（透明膜）でおれば、未知数はｎｌ、
ｄだけでありて、計算機により簡単に値を求めることが
できる。ｋｌ＞Ｑ　（吸収膜）の場合も、γ、ψを測定
することにより、ｎｌ、ｋｌ、ｄを知ることができる。

測定量のγ、里より、求める量ｎ１　、ｋｌ　、ｄの計
算による算出方法は公知でおる。

以上のように、試料面上の薄膜の厚さｄ、および光学定
数である屈折率ｎ１、吸収係数に１はエリプソメータに
より測定された振幅反射係数比ｔａｎｖ（＝ρ）および
位相差軍から求めることができるのでおる。

［Ｂ；本　日の理論的解析 この発明のエリプソメータの光学配列（第３図、第４図
参照）における出力の解析を、ミュラー行列の解析方法
を用いて次のような手順で行なう。

先ず光検出器の出力信号について、位相変調素子の変調
周波数と同じ周波数の成分、２倍の周波数の成分、およ
び直流成分がどのようになっているかを導く。次いでこ
れらの３成分によッテ反射係数比１）　（＝　ｒｐ　／
　ｒｓ　＝ｔａｎＶ＞および位相差γがどのような形で
表わされるかを導く。そしてこの解析をもとに、反射係
数比ρ、位相差γと複屈折率との関係を導く。最後に、
以上の解析結果をもとに薄膜の厚さを導く。

次にこれらの解析手順を項に分けて記載する。

Ｂ−１：各信号　分と反射係　比　位相差の関係先ず各
光学素子をミュラー行列で表現する。

偏波面を４５°回転した検光子のミュラー行列Ａ４５は
、 で表わされる。

また４５°の偏波面に対する試料の反射表面のミュラー
行列は、反射係数比ｒｐ／ｒ３を与えれば、Ｓ　（４５
，ｒｐ　、　ｒｓ　、　７）として、Ｓ　（４５，ｒｐ
、ｒｓ、Ｔ） で表わされる。但し、Ｔは位相変化の差（位相差＝リタ
ーデーション）、ｒｐ、ｒｓは、それぞれｐ成分、Ｓ成
分の反射係数でおる。

位相変調器のミュラー行列Ｍ４５．δ（ω）は、但しδ
は、光学的位相変調器の変調の角周波数（角速度）をω
、振幅をδＯとして δ＝δｏ　ｓｉｎωｔ　　　　　　　　　　（１９）で
表わされる。

ざらにＯｏの直線偏光のミュラー行列■０は、で表わさ
れる。

この場合の光検出器の出力Ｉ　（ｄ）は、以上の（１６
）〜（２０）式のミュラー行列の積で表わされる。

Ｉ　（ｄ）　＝Ａ＋ｓ・Ｓ　（４５，ｒｐ　、　ｒ３．
γ）・Ｍ４５δ（ω）・■。

そこで（１６）〜（２０）式および（２１）式からＩ　
（ｄ）を求めると次式となる。

Ｉ　（ｄ） ここでベッセル関数を用いてＳ１ｎδ、ＣＯＳδを展開
すれば、 Ｓｌｎδ＝ｓ＋ｎ　　（δ□　　ｓ＋ｎωｔ）＝２Ｊ１
　　（δｏ　　）Ｓｉｎωｔ＋２Ｊ３　　（δｏ　　）
ｓ：ｎ３ωｔ・　　　　　　　　（２３）罵δ−ＣＯＳ
　（δＯ５ｉｌｌωｔ　）＝Ｊｏ（δｏ）＋２Ｊ２（δ
ｏ）ｃｏｓ２ωｔ＋２Ｊ４（δｏ）ｃｏｓ４　ωｔ　十
−・・で与えられる。

光強度Ｉ　（ｄ）に比例した光検出器の出力の電気信号
をＶ　（ｄ）とすると、Ｖ　（ｄ）は直流成分ＶＤＣ−
ω成分Ｖ（ω）、２ω成分Ｖ（２ω）、および３ω成分
Ｖ（３ω）以上の高調波成分によって次のように表わせ
る。

Ｖ（ｄ）　＝Ｖ、ｃ十Ｖ　（ω）＋Ｖ（２ω）＋（高調
波頂）（２３）式、（２４）式において、Ｊｏ　　（δ
０）の項は直流成分に、Ｊｒ　　（δ０）の項はω成分
に、Ｊ２　　（δ０）の項は２ω成分に相当する。した
がって、（２２）式および（２３）式、（２４）式から
、（２５）式の各成分ｖＤｃＳｖ（ω）、°ｖ（２ω）
を求めれば、 Ｖ（ＤＣ）＝ｒｐ２＋ｒ３２＋　（ｒｐ２−ｒｓ２）　
・Ｊｏ　（δｏ）　　　（２Ｂ）■（ω）　＝４　ｒｐ
　ｒｓ−ｓ＋ｎγ・Ｊｌ（δＯ）　　　　　　（２７）
Ｖ（２ω）　＝２　（ｒｐ２−ｒｓ２）　・Ｊ２　（δ
ｏ　）　　　　　　（２８）となる。

次いで（２６）式、（２７）式、（２８）式を用いて反
射係数比ｒｐ／ｒｓ、および位相差（リターデーション
）γについてのｓ＋ｎγの値を求める。

（２８）式より （２６）式、（２８）式より （２９）式、（３０）式を加算、減算してｒ　ｐ２、ｒ
　ｓ２を導き、両者の比をとることにより、 したがって、 が導かれる。すなわち反射係数比ｒｓ／ｒｐは、光検出
器の出力の直流成分Ｖ（ＤＣ）および変調角周波数“の
２倍０周波数成９Ｖ（２ω）の関数となっているから、
これらの成分からｒｓ／ｒｐが求められる。

次に、Ｓｉｎγを求める。

（２７）式より （２９）式と（３３）式より （３４）式より が導かれる。すなわちＳｉ１７は、光検出器の出力の変
調周波数ωの成分■（ω）とその２倍の周波数２ωの成
分Ｖ（２ω）、およびρ（’＝ｒｐ／ｒｓ）の関数とな
っており、したがってこれらからＳｉｎγの値が求めら
れる。

以上のようにして、ｒ’ｓ／ｒｐは（３２）式より、Ｓ
１ｎγは（３５）式より求めることができるのである。

次に、複屈折率’ｆｉ＝ｎ−ｉｋとの関係を求める。

とすると、（３２）式は （３５）式は と書き換えられる。

ところで試料表面に入射角ψ０（４５°）で入射する光
は、入射面に平行な電場の振動成分（ｐ成分）と入射面
に垂直な電場の振動成分（Ｓ成分）で振幅反射率が異な
り、各１辰幅反射率は、それぞれ表面によって境される
二つの媒質の屈折率および入射角できまるフレネル係数
によって与えられる。いまｐおよびＳ成分に対する（膜
幅反射率を’？”ｐ、’Ｆｓとする。これらは既に記載
したように、一般に複素数で次のように書くことができ
る。

？ｐ　＝　ｒｐ　ｅ−’φ０（１） で３　＝　ｒ３　ｅ−１φ３（２） 透明体では屈折率は実数でおるので、φＳ、φＰはＯま
たはπで、ｒｐ、ｒ３は実数、またｒｐ／ｒｓも実数と
なる。

しかし、金属などの吸収体では屈折率は複素数百＝ｎ−
ｉｋで表わされるので７”ｐ、’Ｆ’ｓは複素数となり
、 ＝ρｅｘｐ（ｉγ）　　　　　　　　　（４０）（４０
）式は測定される量であり、ｐ、Ｓ成分で振幅比が異な
りかつ相対的に位相差γが生ずるため直線偏光は楕円偏
光として反射される。

試料への入射角をψ０、屈折角をψ１とすると ここで盲ＣＯＳψ１を求めると ｎ　ｃｏｓψ１＝　［（ｎｃｏｓψ１）２］イ＝［百２
（１，−５ｕｉφ１）］坏 ＝　［ｎ２−’？’ｉ２ｓ＋ｄΦ１］イ＝［ｎ２ｓａｔ
！ψＯ］　’　　　　　（４２）ここで、次の（４３）
式 ％式％（４３） で与えられる屈折の法則を用いれば、 ′？′″Ｐ よって、 てＥ （４５）式より理論式が求まった。

そこで、反射率係数比″？′″ｐ／”ｉ”ｓ、位相変化
の差（リターデーション）Ｔと屈折率との関係を求める
。そのため計算の便宜のため、次の（４６）式で定義さ
れるＰとＱを置く。

このようにＰ、Ｑを置けば、Ｐ、Ｑと屈折率の関係を解
析的に解くことが可能となる。そこでＰとＱと屈折率の
関係を求めるため、まず（４５）式、（４２）式より（
４６）式の左辺を求める。

＝ρｅ１γ　　　　　・・・（測定される量＞　　　（
４７）１−ρｅｒγ　　Ｓｉｎψ０−ψｏ　　　　　　
（４８）または ただし また （５１）式によりＰ　ｃｏｓ　Ｑに相当する実数部とＰ
　ｓｉｎ　Ｑに相当する虚数部をそれぞれ導き、割り算
をすると ２ρｓｉｎ　ｒ ｔｌｌｎＱ　＝　−（５２） １−ρ２ よって（４９）式は、 ｓ＋ｔｌψｏｔａｎ（１）ｏ　　　　　　　（５３）と
表わさせる。

すなわち、 入射角ψｏ＝４５°のとき ｐ２ｃｏｓ２Ｑ＝２　（ｎ２−に２）　−１（５６）Ｐ
２ｓ＋ｎ２Ｑ＝−４ｎ　Ｋ　　　　　　　　　（５７）
したがって、 となり、複素屈折率５（＝ｎ−ｉｋ）についての屈折率
ｎ１吸収率にとＰ、Ｑとの関係が（５８）式、（５９）
式により求められた。

但し、Ｐ２、ｔａｎＱは、（５０）式、（５２）式より
既に述べたように、（３２）式より光検出器の出力信号
のＤＣ成分ｖ（ＤＣ）、ω成分ｖ（ω）、２ω成分Ｖ（
２ω）の大きざが判れば、ｒ３／ｒｐが求められる。−
万、（３５）式よりω成分Ｖ（ω）、２ω成分Ｖ　（２
ω）　、ｒｓ／ｒｐが判れば、Ｓ１ｎγが求められる。

ざらにｒ３／ｒｐ。

ｓ＋ｎγが求められれば、（６０）式、（６１）式より
Ｐ２、ｔａｎＱが求められる。ＰとＱが求められれば、
（５８）式、（５９）式から屈折率が求められる。

ここで、（５９）式より （６２）式を（５８）式に代入して １６ｎ４−８（１＋Ｐ２ｃｏｓ２Ｑ）ｎ２−Ｐ４ｓ＋ｔ
ｉ２Ｑ＝Ｏ（６３）したがって（６２）式から吸収率ｋ
が、（６４）式から屈折率ｎが求められ、複素屈折重石
も、百＝ｎ−ｉｋから求められる。結局、光検出器の出
力信号のＤＣ成分Ｖ（ＤＣ）、ω成分Ｖ（ω）、および
２ω成分Ｖ（２ω）から、振幅反射率比ｒｐ／ｒ３の値
および位相差（リターデーション）γについてのｔ、ｔ
ｍｒの値を介して、複素屈折率が求められることが明ら
かでおる。

他の表現方法として ｒ　３　／　ｒ　ｐ　＝ｔａｎｖ（６５）と表わした場
合は、 （６６）、（６７）を用いても、ｎ、ｋが求められる。

Ｂ−３＝屈折率ｎ１　、薄膜の　さｄの算出試料面上の
薄膜についての求める量、すなわち屈折率ｎ１、吸収係
数に１、薄膜の厚さｄとエリプソメータにより測定され
る位相差γと１辰幅反射率比ｔａｎｖとの関係は、既に
述べたように＝ｔａｎｖｅｘｐ　（ｉγ） ＝ρ　ｅｘｐ　ｉ　γ　　　　　　　　　　　　（６８
）で与えられている。すなわち、γ、里は次式で定まる
関数である。

軍＝ｆ　（ｎｌ　、に１　、ｄ、ｎ２．に２．ψ０．λ
）７＝ｆ　（ｎｌ　、に１　、ｄ、ｒ１２．に２．ψ０
．λ）従って、ｎｌ　、ｋｌ　、ｄ、ｎ２、ｋ２、ψ０
、λを与えてやれば里、γを計算できる。（６８）式を
計算して図表化したものが既に公知となってあり、この
種の詳しい図表を作っておけば内挿法によって測定値よ
りただちに、屈折率ｎ１、薄膜厚ざｄを知ることができ
る。なおγ、里の測定値より、計算機を用いてｎｌ、ｄ
を求めることも可能でおる。

実施例 第３図にこの発明のエリプソメータの一実施例（第１発
明の例）を示す。

第３図において、白色光源１０からの光はモノクロメー
タ１１に入射されて波長λの単色光が選択され、その波
長λの単色光は偏光方位を一定に探っための直線偏光素
子（偏光子−ポーラライザ）１２に入射され、所定の偏
光方位の直線偏光となって試料１に対し入射角ψ０　（
通常は４５°）で入射される。試料１の反射光は、前述
のように通常は楕円偏光となり、位相変調素子（光学的
偏光変調素子）１３、例えばファラデーセルのようなフ
ォトエラスティック変調器１３に入射される。この位相
変調素子１３は、振幅δ０１角周波数ωで入射楕円偏光
を左廻りの偏光、右廻りの偏光に交番的に変化させるも
のであり、その遅延軸が入射面に対して４５°となるよ
うに配置されている。さらに位相変調素子１３の出射側
には、透過軸が入射面に対して平行または直角となるよ
うに検光子（アナライザ）１４が配置されており、その
検光子１４の出射側には、光を光電変換するためのフォ
トマルチプライヤ等の光検出器１５が配置されている。

したがって位相変調素子１３で偏光変調された試料反射
光は、検光子１４を介して光検出器１５に入射され、そ
の入射光に応じた信号が光検出器１５から出力される。

前記光検出器１５の出力信号は、信号成分分離回路１６
によって直流成分Ｖ（ＤＣ）、ω成分■（ω）、２ω成
分Ｖ（２ω）にそれぞれ分離して取出される。この信号
成分分離回路１６は、フィルタや同期整流回路等を用い
て構成される。信号成分分離回路１６から得られた各成
分■（ｒＪＣ）、Ｖ（ω＞、Ｖ（２ω）の信号は、コン
ピュータあるいは専用の演算装置などの演算装置１７に
入力される。この演算装置１７においては、Ｖ（ＤＣ）
、Ｖ（ω）、■（２ω）や波長λ等の値から、既に）小
べたような手法により反射係数比ｒｐ　／ｒ３（＝ρ）
や位相変化の差（位相差＝リターデーション）γが演算
によって求められ、ざらにそれらに基いて、屈折率ｎや
薄膜の厚みｄが求められる。

第４図にはこの発明のエリプソメータの他の実施例（第
２発明の例）を示す。

第４図のエリプソメータにおいては、位相変調素子１３
は試料１に対する入射光路に配設されている。すなわち
直線偏光素子１２と試料１との間に振幅δ０、変調角周
波数ωなる位相変調素子１３がその遅延軸が入射面に対
し４５°となるように配置されている。このほかの構成
は第３図の例と同様である。

なお以上の各側において、光源部分のモノクロメータ１
１として選択波長を可変とした回折光子等の素子を用い
、波長走査を行ないつつ測定を行なえば、偏光状態の波
長分散をも知ることができる。

発明の効果 この発明のエリプソメータは、試料反射光もしくは試料
入射光に対し角周波数ωでの位相変調を行なって検出光
強度信号の直流成分、ω成分、２ω成分を分離し、これ
らから演算によって試料の屈折率や厚みを求めるもので
あり、このように変調して信号成分の分離を行なうこと
は交流的な検出を意味するから、従来の直流的な検出の
場合と比較して背影光の影響などを格段に少なくしてＳ
／Ｎを良好にし、高精度で屈折率や厚みを求めることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的なエリプソメトリの概念を示す略解図、
第２図は試料面上の薄膜についてのエリプソメトリの概
念を示す略解図、第３図は第１発明のエリプソメータの
一例を示すブロック図、第４図は第２発明のエリプソメ
ータの一例を示すブロック図である。 １・・・試料、　２・・・薄膜、　１２・・・直線偏光
素子、１３・・・位相変調素子、　１４・・・検光子、
　１５・・・光検出器、　１６・・・信号成分分離回路
。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）直線偏光を試料面に入射せしめてその反射光の偏
   光状態から試料面に関する値を測定するエリプソメータ
   において、 試料面への入射光の光路中に、試料面への入射直線偏光
   の偏光方位を一定に保つように直線偏光素子を配置し、
   試料面からの反射光の光路中に、振幅δ＿０、変調角周
   波数ωなる位相変調素子をその遅延軸が入射面に対して
   ４５°となるよう配置するとともに、その位相変調素子
   の出射側に、透過軸が入射面に対して平行もしくは垂直
   となるように検光子を配置し、さらにその検光子の出射
   側に光を光電変換するための光検出器を配置し、その光
   検出器の出力信号のω成分、２ω成分および直流成分を
   それぞれ独立して取出すための信号成分分離回路を設け
   、前記各成分から演算によつて試料面の反射係数比ｒ＿
   ｐ／ｒ＿ｓおよび反射光の位相変化γを求め、それに基
   いて試料面の屈折率および／または試料面の薄膜の厚さ
   を求めるようにしたことを特徴とするエリプソメータ。
2. （２）直線偏光を試料面に入射せしめてその反射光の偏
   光状態から試料面に関する値を測定するエリプソメータ
   において、 試料面への入射光の光路中に、直線偏光の偏光方位を一
   定に保つための直線偏光素子を配置するとともに、その
   直線偏光素子と試料面との間に振幅δ＿０、変調角周波
   数ωなる位相変調素子をその遅延軸が入射面に対して４
   ５°となるように配置し、試料面からの反射光の光路中
   に、透過軸が入射面に対して平行もしくは垂直となるよ
   うに検光子を配置し、さらにその検光子の出射側に光を
   光電変換するための光検出器を配置し、その光検出器の
   出力信号のω成分、２ω成分および直流成分をそれぞれ
   独立して取出すための信号成分分離回路を設け、前記各
   成分から演算によつて試料面の反射係数比ｒ＿ｐ／ｒ＿
   ｓおよび反射光の位相変化γを求め、それに基いて試料
   面の屈折率および／または試料面の薄膜の厚さを求める
   ようにしたことを特徴とするエリプソメータ。