JPS63728B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は表面形状を測定するための干渉装置に
関する。

背景技術 一般に楕円偏光した光の波動場の局所的な偏光
状態を決定するには、種々の方位角で検光子を透
過した光の強度を測定するという時間のかかる方
法を各点毎に行なう必要がある。その測定結果を
評価して、波動場の各点における偏光状態を表わ
すいわゆる偏光楕円を決定する事はやはり複雑で
あつて、多くの場合に計算機によつてしか可能で
ない。従つて偏光を含む大きな光の波動場の各点
の状態を調べる事は非常に複雑であるが、一方多
くの測定に関してこの偏光状態を知る事は非常に
有用である。

１つのそのような例は、基板上の薄い透明な層
−例えば集積回路の製造時の絶縁層及び表面安定
化層−の局所的特性を決定するという問題であ
る。必要な回路パラメータを得るためにそれらの
層の厚さは、例えば製造中又は製造後に高い精度
で決定されなければならない。もし層の屈折率が
わかつていれば、これは干渉測定法を用いて原理
的には行なう事ができる。しかしながら薄い層の
屈折率はその製造方法に大きく依存するので、測
定する事なしにそれを正確に定めるのは不可能で
ある。薄い透明層の厚さ及び屈折率を同時に決定
するには、エリプソメトリ法が最大の精度を提供
する。この方法では、小さな直径の斜め入射の偏
光ビームを、調べるべき層に照射し、反射された
ビームの強度を検光子の方位角の関数として決定
する。測定された強度分布から反射ビームの偏光
状態をいわゆる偏光楕円の形で決定し、これから
層の厚さ及び屈折率の決定ができる。

そのような各点毎の測定は比較的長時間を要す
るので、例外的な場合にしか大面積の測定ができ
ない。この事情は、検光子が高速で回転するいわ
ゆる自動エリプソメータで測定が行なわれる場合
においても、当てはまる。従つて時間的理由によ
り大面積の各点毎のエリプソメトリ測定は例外的
な場合にしか可能でない。さらに斜め入射のため
に、測定の空間的分解能は低い。

もしも偏光状態の迅速且つ局所的な評価が可能
であれば、局所的に異なつた偏光状態を有する光
波動場は多くの他の用途にも用いる事ができる。
例えば光弾性、結晶光学あるいは検糖計測定など
である。

発明の開示 偏光場を測定するために、カラーTVカメラの
原理に従つて動作するいわゆる偏光カメラを提案
する。但し光二色性の３色フイルタは透過方向が
互いに60゜異なつた偏光フイルタで置き換えられ
ている。この偏光カメラの発生する出力信号は入
射した放射の偏光状態についての全てのデータを
含んでいる。もしこの出力信号がカラー・モニタ
に与えられれば、輝度、色相及び飽和の分布は入
射した放射の偏向状態の表示となり得る。

偏光カメラは大きな偏光場の迅速な視覚的表示
を可能にするので、広い応用分野を有する。エリ
プソメトリ測定装置において、偏光カメラは生産
ラインを連続的に制御するために使用できる。こ
れは視覚的観察は、訓練を受けていない操作員に
も即座に内容豊富な映像を与えるからである。試
験される表面の標準的な像と偏光像との間の視覚
的比較は、薄い層の視覚的構造と偏光像によつて
決定されたその特性との間の関連を容易に明らか
にする。さらに偏光像は電子的あるいはデイジタ
ル的に容易に処理し、評価をさらに容易にする事
ができる。

偏光状態を測定評価するための、ここに提案し
た複雑でない装置は、既知の光学的方法の精度範
囲に関してかなりの改善を与える。ここで説明す
る偏光カメラの特に有利な使途は例えば干渉表面
トポグラフイ及び干渉ホログラフイの分野にあ
る。

偏光カメラを製作するには既知のカラーTVカ
メラの通常の型のものを参照する事ができる。

実施例の説明 偏光カメラの構造及び動作をエリプソメトリ装
置を参照しながら解説する。

第１図においてエリプソメトリ測定装置はレー
ザ１及びビーム拡大光学系２を有する。光学系２
は２枚のコレクタ・レンズから成り、そこからは
大きな直径のビーム４が出て来る。ビーム４は
45゜の方位角に配向された偏光子３を通過し、薄
い層で被被覆された試験表面５に斜めの入射角で
入射する。ビーム４の直線偏光は表面５から反射
されると乱され、その結果として射出ビーム６に
は一般的に楕円偏光が存在する。射出ビーム６
は、結像光学系８、２つのビーム・スプリツタ９
及び１０、３つの撮像管１１ａ，１１ｂ，１１ｃ
から成る偏光カメラ７に至る。各撮像管の前面に
は、ビーム６のうち互いに60゜異なる方向の３つ
の偏光成分を透過する偏光子１２ａ，１２ｂ，１
２ｃが配置されている。これらの偏光子は通常の
ものであつて、例えばポーラロイドを用いてもよ
い。ビーム・スプリツタ９及び１０の方向及び透
過度は、撮像管の各々が同じ強度の光を受け取る
ように選択されている。偏光カメラ７の出力信号
は信号線１３を経てカラーTVモニタ１４に至
る。もし必要であれば線路１３にはさらに他の装
置−例えば等強度又は等位相の線を発生するため
の等高線発生装置１５、及び偏光カメラ７によつ
て作られた偏光像をデイジタル処理又は記憶する
ための計算機１６又はメモリ１７−が接続され
る。

偏光カメラ７は、市販のカラーTVカメラにお
いて３色フイルタ（緑、赤、青）の代りに偏光子
（例えば偏光板）を有するものである。

第２図は単一の撮像管を有する偏光カメラの他
の例を示す。これは３色フイルタが縞状に、撮像
管の前面に配置された既知の型のカラーTV管に
対応する。この偏光カメラにおいては、撮像管２
０の光入射面の前に偏光フイルタ２１及び入射光
ビーム２３の偏光方向が各々0゜、60゜又は120゜回転
する領域から成る縞状構造物２２が設けられてい
る。この効果は例えば層２２の偏光回転物質の厚
さを変化させる事によつて達成される。層２２を
構成する物質は、水晶、不斉炭素原子を有する有
機化合物等の周知の旋光性物質を用いる事ができ
る。従つて電子ビームによる管２０の像位相の順
次走査により、偏光の回転の異なる領域に対応す
る３つの信号が順次に作られる。デコーダ２４に
おいてこれらの信号は電気的に分離され、第１図
の３つの撮像管の出力信号に対応するものにな
る。

第３Ａ図の偏光楕円を参照しながら偏光カメラ
の動作を説明する。表面５から反射された光の方
向を見ている観測者にとつて、光の波動の電場ベ
クトルの先端は、光の波動場の各点において楕
円、いわゆる偏光楕円に沿つて動く。この楕円は
互いに位相差を有する２つの垂直に偏つた直線振
動の合成によつて得られる。楕円の軸比a′／b′及
び空間における主軸の位置（角度ω）は２つの直
線振動の振幅の比及び位相差によつて決定され
る。第３図において楕円は直交xy座標系におい
て記録される。但しｘ方向は表面５から反射され
たビームの入射面に一致する。

表面５から反射されたビームの各点毎に局所的
偏光楕円が定義されなければならない。これは偏
光カメラ内の３つの偏光子の透過方向ｒ、ｇ、ｂ
によつて達成される。透過方向ｒは入射面に一致
するものと仮定する。方向ｒ及びｇ、並びにｇ及
びｂは各々60゜の角度をなす。

方向ｒ、ｇ、ｂと偏光楕円との交点Ｒ、Ｇ、Ｂ
は、偏光楕円の所定の位置に関して３つの偏光子
の各々を透過した電場ベクトルの大きさを決定す
る。検光子の後の撮像管によつて記録された強度
はこの値の平方に対応する。このようにして測定
された値Ｒ、Ｇ、Ｂを用いて、ビームの各点にお
ける偏光楕円の位置（角度ω）及び形（軸比a′／
b′）が明確に定められる。値Ｒ、Ｂ、Ｇは波動場
の各点毎にビームを走査する時に偏光カメラによ
つて生成されるので、カメラに入射する波動場全
体の偏光状態はこの波動場が１回走査された後に
決定され、モニタに表示され得る。偏光楕円の位
置及び形と視覚的表示用のカラーTVモニタのパ
ラメータ（輝度、色相、飽和）との間の関係は随
意に設定できる。

測定された偏光パラメータとカラー・モニタの
パラメータとの特に有利な関係は、偏光光学測定
と通常のカラーTVシステムにおける色信号の処
理との間にある類似性が見られる時に見い出され
る。カラー・テレビジヨンにおいて色彩像の情報
内容を伝送するのに２つの信号が用いられる事は
公知の事実である。その２つの信号とは、 (1) 色彩像の点の輝度に対応し、以下の規則に従
つて色Ｒ（赤）、Ｂ（青）及びＧ（緑）用の撮像管
の３つの出力信号から合成される、いわゆる輝
度信号 Ｙ＝0.3R＋0.59G＋0.11B (2) その位相位置が色相を決定し、その振幅が飽
和度を決定する色度信号。この色度信号は補助
的色搬送波を２つの信号−即ちＲ、Ｂ及びＧの
線型結合から形成され、いわゆる直交振幅変調
の場合は互いに90゜移相した信号−で振幅変調
する事によつて作られる。これらの信号は
PALカラーTVシステムにおいては次のように
表わされる。

Ｕ＝0.493（Ｂ−Ｙ） Ｖ＝0.877（Ｒ−Ｙ） NTSCシステムでは次のように表わされる。

Ｉ＝0.6R−0.028G−0.32B Ｑ＝0.21R−0.52G＋0.31B 第３Ｂ図は色計量（color metrics）から知ら
れる色平面（色三角形）を示す。その無色点Ｗを
通つて、上述の信号Ｉ及びＱに対応する斜交座標
系の軸Ｉ及びＱを引く事ができる。Ｕ軸及びＶ軸
はＩ軸及びＱ軸に対して少し回転している。ここ
で言及したカラーTV技術の詳細は例えば次の刊
行物に記載されている。

W.A. Holm、Farbfernsehtechnik ohne
Mathematik、Eindhoven、1966 O.Limann、
Fernsehtechnik ohne Ballast、Mu¨nchen、1979 W.Dillenburger、Einfu¨hrung in die
Fernsehtechnik、Berlin 1969 B. Morgenstern、Farbfernsehtechnik1977 もし偏光子の異なつた位置における偏光カメラ
の出力信号が同様に３色信号Ｒ、Ｇ、Ｂであると
みなされ、これらの信号を用いてカラー・テレビ
ジヨンにおけるのと同じ組み合せが行なわれるな
らば、次の関係が得られる。即ち、 ―偏光光学的「色度信号」の位相位置、即ち色
相は偏光楕円の主軸の位置に対応する。

―偏光楕円の離心率（軸比a′／b′）は、偏光光
学的「色度信号」の振幅（即ち飽和）の、偏光光
学的「輝度」に対する対応する。

この関係を説明するために、いくつかの境界的
事例を説明する。

(a) 円偏光において、偏光カメラの３つ全部の撮
像管は同じ信号（Ｒ＝Ｂ＝Ｇ＝１）を受け取
る。色三角形において、この場合は無色点に対
応する。というのは最大輝度（Ｙ＝１）で且つ
色度が存在しない（Ｉ＝Ｑ＝０）からである。

(b) 偏光方向が３つの透過方向の１つ（例えば
ｒ）に一致した偏光において、それに対応する
撮像管は最大の信号（例えばＲ＝１）を受け取
り、他の２つの撮像管は関係式Ｉ〜cos²60゜に
従つて強度Ｉ＝0.25を受け取る。従つて輝度は
値0.48に減少し、色度は増加する（Ｉ＝0.45、
Ｑ＝0.16）。偏光楕円のこの位置は、TVモニタ
上に赤のスペクトル範囲の深い飽和の像点を表
示する。この直線偏光の偏光面の回転は、色三
角形中の関連するベクトルの回転に対応する。
光の楕円率を増加させると、飽和が減少し、輝
度が増加する。

色度信号の特性に対する、偏光光学的特性の上
述の相関関係は、視野の各点毎に色度信号を電子
的に評価する事によつて偏光状態を定量的に解析
するための非常に有利な手段を与える。電気信号
の相対的位相を決定し各々の振幅を測定する事は
非常に精度よくできるので、偏光光学的パラメー
タに関して高い測定精度が得られる。

視覚的な評価を容易にするために、カラー・モ
ニタ上の表示は、同じ輝度あるいは同じ色相ある
いは同じ飽和の点だけが現われるように電子装置
（等高線発生装置１５）を用いて処理され得る。
この処理は等高線に似た線を作る。そのような特
徴を持つ点の選択は、輝度信号及び色度信号の振
幅あるいは位相に関する比較回路を用いて非常に
単純に行なう事ができる。

第４図は表面トポグラフイを調ぜるための干渉
装置に偏光カメラを用いた例を示す。光源４０、
好ましくはレーザがビーム拡大光学系４１、偏光
子４２、λ／４板４３及び半透鏡４４を経て被試
験物体の表面４５及び平坦な基準鏡４６を照射す
る。半透鏡４４と鏡４６との間には第２のλ／４
板４７が設置される。表面４５及び鏡４６から反
射されたビームは偏光カメラ４８に至り、その出
力信号はカラー・モニタ４９に与えられる。偏光
カメラとカラー・モニタとの間には等高線を発生
するための電子装置４９ａ及び基準パターンを記
憶する記憶装置４９ｂが選択的に設けられる。

この表面トポグラフイ装置は、偏光ベクトルの
回転方向の異なる２つの円偏波の重ね合せに基づ
いている。この重ね合せによつて作られる直線偏
光の偏光方向は２つの波の相対的位相位置に依存
する。第４図の構成においてλ／４板４３は円偏
光を作る。この円偏光は試験面４５に照射され、
そこから反射される。光源からビーム・スプリツ
タ４４を通過した円偏光は、第２のλ／４板４７
を２回目に通過した時に再び円偏光に変換され
る。しかしながらこの円偏光は、表面４５から反
射された光に対して逆向きの回転方向を示す。ビ
ーム・スプリツタ４５によつて２つの反射ビーム
部分を合成すると、偏光カメラ４８に関する入力
変量として直線偏光が得られる。その局所的偏光
方向は、表面４５上の非平坦性によつて生じる位
相シフトによつて決定される。表面４５の高さが
ｄ変化すると、それによつて生じるビームの位相
差は4πd／λになり、この位相差により干渉光の
偏光面の向きは2πd／λ回転する。

偏光カメラを用いると、第４図の（90゜の偏光
方向の差に対応する）「自然な」干渉縞は、自然
な干渉縞の間にあつて定量的な内挿を可能にする
「人工的な干渉色」によつて補なわれる。この内
挿の分解能は非常に高い。例えば使用した光の波
長λが633nmの時、180゜の偏光の回転は158nmの
高低差に対応する。もし色度信号の位相が電子装
置を用いて１％の精度で決定できるならば、この
構成の測定精度は2nm以上になる。

記憶装置４９ｂは例えば基準表面の表面プロフ
イルを記憶するために用いる事ができる。従つて
表面の調査において電子装置を用いて試験表面と
基準表面との間の差を求める事ができ、その比較
結果は、モニタ上の試験像上に訂正パターンとし
て重ね合す事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は３つの撮像管を持つ偏光カメラを有す
るエリプソメトリ測定装置の図、第２図は１つの
撮像管を持つ偏光カメラの図、第３Ａ図は偏光カ
メラにおける信号処理を表わす偏光楕円の図、第
３Ｂ図は色三角形の図、第４図は偏光カメラを有
する表面調査用干渉装置の図である。 ７……偏光カメラ、１１ａ〜１１ｃ……撮像
管、１２ａ〜１２ｃ……偏光子、１４……カラー
TVモニタ、１５……等高線発生装置、１６……
計算機、１７……メモリ、９，１０……ビーム・
スプリツタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 円偏光ビームを発生させる手段と、 上記円偏光ビームを分割して、基準面及び被測
   定面に指向させる手段と、 上記基準面に向かう円偏光ビームを直線偏光に
   変換する手段と、 上記基準面で反射された光ビームを上記円偏光
   ビームとは逆方向の円偏光ビームに変換する手段
   と、 上記基準面で反射された逆方向の円偏光ビーム
   と上記被測定面で反射された円偏光ビームとを重
   ね合せて偏光カメラに指向させる手段と、 カラー・テレビジヨン・カメラの３色フイルタ
   を、入射光のうち互いに60°異なる方向の３つの
   偏光成分を透過する手段で置き換えた偏光カメラ
   とを有する 表面形状を測定するための干渉装置。