專(zhuān)利名稱(chēng)：偏振光分析裝置及偏振光分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光的偏振光分析裝置及利用該偏振光分析裝置測(cè)定薄膜的光學(xué)常數(shù)和厚度的偏振光橢圓計(jì)。
背景技術(shù)：
作為分析薄膜的膜質(zhì)或膜厚的典型方法，可舉出以往眾所周知的方法即偏振光分析測(cè)定法。偏振光分析測(cè)定法指的是對(duì)薄膜試料入射特定偏振光狀態(tài)的光，通過(guò)測(cè)定從試料反射的光中電場(chǎng)與入射面平行的分量(p偏振波)的反射率Rp和電場(chǎng)與入射面垂直的分量(s偏振波)的反射率Rs之比ρ，求出試料膜厚或折射率的方法。這里，一般ρ為復(fù)數(shù)，可表示成ρ＝Rp/Rs＝tan(Ψ)×exp(jΔ)。Ψ和Δ是表示測(cè)定光(反射光)的偏振光狀態(tài)的參數(shù)，稱(chēng)為橢圓對(duì)稱(chēng)角。該ρ為由薄膜試料的光學(xué)常數(shù)(n)及厚度(d)確定的值，因此只要能用偏振光橢圓計(jì)求出反射光的偏振光狀態(tài)(Ψ，Δ)，就可反向算出試料的光學(xué)常數(shù)和膜厚。
偏振光橢圓計(jì)中，作為進(jìn)行來(lái)自試料的反射光的偏振光分析求出Ψ和Δ的方法，可采用應(yīng)用物理指南(應(yīng)用物理學(xué)會(huì)編，1990年，丸善，pp.20-22)等文獻(xiàn)中公示的消光法或旋轉(zhuǎn)檢偏器法等。消光法中，使來(lái)自試料的反射光(一般為橢圓偏振波)依次通過(guò)1/4波片、起偏器，由受光器接受，將1/4波片與起偏器分別獨(dú)立地旋轉(zhuǎn)，讀出光強(qiáng)度最小的旋轉(zhuǎn)角度，從而求出Ψ和Δ。但是，該方法中用兩個(gè)變量找出最小值，因此存在即便只進(jìn)行一次測(cè)定也花較長(zhǎng)時(shí)間的缺點(diǎn)。而旋轉(zhuǎn)檢偏器法是不使用1/4波片而只用檢偏器進(jìn)行偏振光分析的方法。旋轉(zhuǎn)檢偏器法中測(cè)定將起偏器旋轉(zhuǎn)一周時(shí)的受光強(qiáng)度的變化，若以角度的函數(shù)得到受光強(qiáng)度，則可通過(guò)計(jì)算求出Ψ和Δ，但存在不易區(qū)別相位差Δ和(2π-Δ)，即難以區(qū)別是右旋橢圓偏振波還是左旋橢圓偏振波的不良情況。為了避免這種情況，需要插拔1/4波片等來(lái)對(duì)1點(diǎn)測(cè)量進(jìn)行2次以上的測(cè)定，因此與測(cè)定變得復(fù)雜且測(cè)量所需的時(shí)間極大，這與之前的消光法相比幾乎沒(méi)有改變。
近年，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的顯著進(jìn)步，在進(jìn)行各種器件的高性能化及小型化的過(guò)程中，CVD或?yàn)R鍍等薄膜加工中要求的精度非常嚴(yán)格，例如，要求以0.1nm的精度制作數(shù)nm厚度的膜?，F(xiàn)在，為了實(shí)現(xiàn)這種高精度的成膜(或成膜裝置)，熱切希望可以在線方式測(cè)量加工過(guò)程中試料膜厚及膜質(zhì)的高精度膜厚/膜質(zhì)監(jiān)測(cè)器。雖然偏振光分析測(cè)定法可高精度測(cè)定薄膜的膜厚、膜質(zhì)而適于這種成膜監(jiān)測(cè)器的方式，但傳統(tǒng)的偏振光橢圓計(jì)采用上述那樣復(fù)雜的測(cè)定方法，因此一般測(cè)定速度慢，另外，由于該裝置大型且非常昂貴，難以導(dǎo)入加工裝置。
作為無(wú)驅(qū)動(dòng)部的偏振光分析裝置，提出將測(cè)定的光束分支為4束后，分別通過(guò)起偏器或波片和起偏器，通過(guò)測(cè)量4束不同偏振光分量的光強(qiáng)度分析偏振波狀態(tài)的方法(日本特開(kāi)平5-113371號(hào)公報(bào))。這種偏振光測(cè)定裝置簡(jiǎn)便且適合高速的偏振光分析，其測(cè)定原理介紹于結(jié)晶光學(xué)(應(yīng)用物理學(xué)會(huì)光學(xué)座談會(huì)編，1990年，森北出版，pp.139-140)等文獻(xiàn)，是眾所周知的。但是，要實(shí)現(xiàn)這種偏振光分析裝置，需要分束器、偏振光分束器及1/4波片或起偏器，另外還需要稱(chēng)為受光元件的眾多光學(xué)元件，難以達(dá)成裝置小型化。由于非常難作到各部品的高精度裝配，結(jié)果導(dǎo)致測(cè)定精度較差，因此不適合要求高精度測(cè)定薄膜的光學(xué)常數(shù)或厚度的偏振光橢圓計(jì)。
如上所述，迄今尚未提出適合偏振光分析測(cè)定的高速且小型而無(wú)驅(qū)動(dòng)部的偏振光分析裝置，以及采用該裝置對(duì)入射光的偏振光狀態(tài)進(jìn)行高精度分析的方法。
發(fā)明的公開(kāi)本發(fā)明提供通過(guò)組合具有光軸方向互相不同的多個(gè)區(qū)域的起偏器陣列、具有光軸方向或滯后(相位差)互相不同的多個(gè)區(qū)域的波片陣列及受光元件陣列來(lái)構(gòu)成的無(wú)驅(qū)動(dòng)部的偏振光分析裝置或偏振光橢圓計(jì)，以及采用它們的偏振光分析方法。作為起偏器陣列及波片陣列，可通過(guò)采用由稱(chēng)為光子晶體(photonic crystal)的多維周期結(jié)構(gòu)構(gòu)成的人工光學(xué)材料，實(shí)現(xiàn)充分小型且可靠性高的裝置。
首先，就由光子晶體構(gòu)成的起偏器及波片進(jìn)行說(shuō)明。如

圖1那樣在形成周期性溝槽列的透明材料基板101上，使透明且高折射率的媒質(zhì)102和低折射率的媒質(zhì)103一邊保存界面形狀，一邊交互層疊。各層在x方向具有周期性，但在y方向上可同樣，也可具有比x軸方向大的周期性或非周期性結(jié)構(gòu)。這種精細(xì)的周期結(jié)構(gòu)(光子晶體)可通過(guò)采用稱(chēng)為自凸面加工技術(shù)的方式(日本特開(kāi)平10-335758號(hào)公報(bào))，高再現(xiàn)性且高均勻性地制作。這樣作成的周期結(jié)構(gòu)體上從相對(duì)xy面垂直或傾斜方向入射無(wú)偏振光或橢圓偏振光，則對(duì)于溝槽列平行的偏振波即y偏振波和與之正交的x偏振波，在周期結(jié)構(gòu)體內(nèi)部分別產(chǎn)生TE模和TM模的光。TE模和TM模的傳播常數(shù)可根據(jù)構(gòu)成周期結(jié)構(gòu)的材料折射率、xy面的周期、層疊周期，在廣范圍內(nèi)選擇。
圖2是一例作為高折射率材料采用Si、作為低折射率材料采用SiO2時(shí)的二維周期結(jié)構(gòu)的色散曲線?？v軸是將波長(zhǎng)λ的倒數(shù)用層疊周期Lz標(biāo)準(zhǔn)化后的值，橫軸是將傳播一周期時(shí)的相位變化量kzLz(kz是z方向的傳播常數(shù))用π標(biāo)準(zhǔn)化后的值。白圓表示TE波、黑圓表示TM波。Lx表示面內(nèi)方向的周期，這里設(shè)Lz/Lx＝1。若入射光的頻率在帶隙中間，則不能以該模式在周期結(jié)構(gòu)體中傳播，入射光反射或衍射。另一方面，若光頻率在能帶內(nèi)，則光可透過(guò)周期結(jié)構(gòu)體中。在頻率區(qū)域201中，TE波成為帶隙而反射，TM波因在傳播區(qū)而透過(guò)，因而可作為偏振光分離元件(日本特開(kāi)2001-83321號(hào)公報(bào))工作。在頻率區(qū)域202中，作為T(mén)E波透過(guò)且TM波反射的起偏器工作。另一方面，在頻率區(qū)域203中，TE波和TM波均處于傳播區(qū)而透過(guò)。但在這時(shí)兩個(gè)曲線錯(cuò)開(kāi)，因此各傳播常數(shù)不同，作為對(duì)兩個(gè)模式帶來(lái)相位差的波片工作。通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)用于基板的圖案或成膜的材料及層疊周期或?qū)盈B數(shù)，可設(shè)計(jì)出提供任意相位差的波片，例如使相位差成為π/2，就可作為1/4波片工作。另外，由于能夠在一塊基板內(nèi)的每個(gè)區(qū)域獨(dú)立改變溝槽的周期或方向，可按每個(gè)區(qū)域改變光子晶體的特性。將它稱(chēng)為多重圖案光子晶體。例如，若為起偏器則可按每個(gè)區(qū)域改變光軸方向，另外，波片的場(chǎng)合可改變光軸方向或相位差。
作為構(gòu)成光子晶體的低折射率媒質(zhì)，最常用的材料以SiO2為主成分，其透明波長(zhǎng)區(qū)域廣且化學(xué)性、熱性、機(jī)械性也穩(wěn)定，成膜也容易進(jìn)行。另外，作為低折射率媒質(zhì)可采用其它光學(xué)玻璃，例如MgF2那樣折射率更低的材料。作為高折射率材料，可采用Si、Ge等半導(dǎo)體或Ta2O5、TiO2、Nb2O5、HfO2、Si3N4等氧化物或氮化物。由于半導(dǎo)體材料的折射率較大，具有能夠得到較大帶隙的優(yōu)點(diǎn)，但利用波長(zhǎng)區(qū)限定為近紅外。另一方面，氧化物或氮化物的透明波長(zhǎng)范圍較廣，因此也可在可見(jiàn)光區(qū)域使用。
用自凸面加工法制作光子晶體起偏器或波片時(shí)，首先通過(guò)電子束蝕刻和干蝕刻在基板上制作在前如圖1所示基板101那樣的周期性溝槽。溝槽圖案的形成可采用其它光蝕刻或干涉曝光、金屬模的沖壓技術(shù)。另外，圖中溝槽的截面形狀為矩形，但可為三角形等其它形狀?；蹇墒褂肧i或石英玻璃、其它光學(xué)玻璃等。凹凸的節(jié)距為入射光波長(zhǎng)的一半左右，例如0.8μm的光時(shí)約為0.4μm，溝槽的深度約為0.2μm。在該基板上，使用Ta2O5和SiO2等靶材，組合濺射淀積和偏置濺鍍交互層疊多層膜。這時(shí)，在各層的x軸方向保存周期性凹凸形狀地適當(dāng)設(shè)定偏置條件是重要的。條件之一例如下在Ta2O5層的成膜中，氣壓為2mTorr、靶材施加高頻功率為300W，在SiO2層的成膜中，氣壓為6mTorr、靶材施加高頻功率為300W，濺鍍?cè)赟iO2層成膜后進(jìn)行，氣壓為2mTorr、基板施加高頻功率為90W。
接著，就本發(fā)明的偏振光分析裝置進(jìn)行說(shuō)明。圖3示出采用波片陣列及起偏器陣列的無(wú)驅(qū)動(dòng)部的偏振光分析裝置的代表例。波片陣列301將光軸方向不同的多個(gè)區(qū)域排M列，經(jīng)設(shè)計(jì)使各區(qū)域的滯后量一定(理想為1/4波片)。另外，起偏器陣列302將透射光的偏振光方向不同的多個(gè)區(qū)域排N列，經(jīng)設(shè)計(jì)使各區(qū)域的偏振波消光比充分高。使這樣的波片陣列與起偏器陣列互相正交地粘貼，在其后方配置可個(gè)別接受通過(guò)重疊波片陣列和起偏器陣列而作成的M×N個(gè)區(qū)域的光的受光元件陣列303，從而能夠?qū)崿F(xiàn)偏振光分析裝置。作為起偏器陣列及波片陣列，可使用上述光子晶體起偏器，由此可進(jìn)行裝置的小型化、高精度化。
當(dāng)光入射到上述那樣的偏振光分析裝置時(shí)，入射光通過(guò)波片陣列按各區(qū)域變換偏振波狀態(tài)后，只有由起偏器陣列各區(qū)域的軸方向確定的特定偏振波分量才透過(guò)。因而，受光元件陣列的各個(gè)受光元件檢出透過(guò)各自不同角度的波片和起偏器的光，即各自不同偏振波分量的光強(qiáng)度。因此，通過(guò)分析各受光元件檢出的光強(qiáng)度，可以二維方式把握入射光的偏振光狀態(tài)。例如，在上述那樣的偏振光分析裝置中，將波片陣列的相位差設(shè)為π/2(1/4波長(zhǎng))，波片陣列及起偏器陣列的分割數(shù)設(shè)為16時(shí)，在圖4示出一例256元件的檢出器陣列感光強(qiáng)度分布的模擬結(jié)果。這里示出使1/4波片陣列各區(qū)域的主軸角度從0°到180°為止每12°變化并縱軸方向排列，起偏器陣列各區(qū)域的主軸角度(透過(guò)的偏振波角度)也同樣，從0°到180°為止每12°變化并橫軸方向排列時(shí)的模擬結(jié)果。由此結(jié)果得知，受光元件觀測(cè)到的光強(qiáng)度分布形狀根據(jù)入射光的偏振光狀態(tài)而變化，因此通過(guò)分析該強(qiáng)度分布圖案，可反向求出入射光的偏振光狀態(tài)。
這里，就本發(fā)明偏振光分析裝置觀測(cè)到的強(qiáng)度分布圖案進(jìn)行邏輯(數(shù)學(xué))分析。若將入射裝置的光的偏振光狀態(tài)用橢圓對(duì)稱(chēng)角即Ψ和Δ表示，則通過(guò)波片和起偏器后的光的瓊斯矢量可表示為u→=1000cosφsinφ-sinφcosφcosθ-sinθsinθcosθejα001cosθsinθ-sincosθ1tanΨ·ejΔ]]>(式1)
該式中，θ表示波片的主軸角度，α表示波片的滯后(相位差)，另外φ表示起偏器的主軸角度。如圖5所示，與橢圓對(duì)稱(chēng)角的表現(xiàn)相比，入射光的偏振光狀態(tài)由橢圓偏振波的橢圓率(ε)和斜率(γ)表示時(shí)，更易捕獲偏振光狀態(tài)的圖像。由此可將入射光的偏振光狀態(tài)置換成如下1tanΨ·ejΔ=cosγ-sinγsinγcosγ1jϵ]]>(式2)因而，到達(dá)受光元件陣列的光的偏振波狀態(tài)最終可表現(xiàn)為u→=1000cos(φ-θ)sin(φ-θ)-sin(φ-θ)cos(φ-θ)ejα001cos(θ-γ)sin(θ-γ)-sin(θ-γ)cos(θ-γ)1jϵ]]>(式3)觀測(cè)到的光強(qiáng)度可由下式求出。
|u→|2=u→*·u→]]>(式4)即，受光元件陣列觀測(cè)到的強(qiáng)度分布由入射偏振波狀態(tài)(ε，γ)及波片角度(θ)和起偏器角度(φ)的函數(shù)表現(xiàn)。由于θ和φ是依賴裝置的已知的值，通過(guò)分析觀測(cè)到的光強(qiáng)度分布的形狀，從邏輯觀點(diǎn)出發(fā)能夠明確準(zhǔn)確求出入射光的偏振光狀態(tài)。
作為強(qiáng)度分布圖案的分析方法最簡(jiǎn)單的方法是檢出被測(cè)定圖案的最小值的位置的方法。這與在前說(shuō)明的傳統(tǒng)偏振光橢圓計(jì)的消光法對(duì)應(yīng)。消光法中，可由波片角度和旋轉(zhuǎn)起偏器而使入射光完全被消光時(shí)的波片及起偏器的角度直接求出入射偏振光的橢圓率和斜率。另一方面，在采用本發(fā)明的波片陣列和起偏器陣列的新偏振光分析裝置的場(chǎng)合也根據(jù)完全相同的原理，特定二維強(qiáng)度分布圖案上產(chǎn)生的暗點(diǎn)(最小值、零點(diǎn))的位置，即波片和起偏器的主軸角度，從而可瞬間求出入射光的偏振光狀態(tài)。但是，該方法不利用測(cè)定到的一大半二維信息，不能說(shuō)充分發(fā)揮新偏振光分析裝置的優(yōu)點(diǎn)。另外，例如波片相位差并不嚴(yán)格為1/4波長(zhǎng)時(shí)，存在暗點(diǎn)偏離理想位置，因此不能進(jìn)行高精度的偏振波分析的情況。
因此，作為利用更多數(shù)據(jù)點(diǎn)分析圖案的形狀，并對(duì)波片偏離也可作校正的圖案分析方法，本發(fā)明提出二維圖案的傅里葉分析法和暗點(diǎn)附近的形狀擬合法。傅里葉分析法中，利用偏振光分析裝置觀測(cè)到的強(qiáng)度分布圖案以簡(jiǎn)單的頻率分量表示的情況，由通過(guò)將圖案形狀傅里葉變換來(lái)求得的各頻率分量的振幅和相位的值判定入射偏振光狀態(tài)。而暗點(diǎn)附近的形狀擬合法中，通過(guò)近似計(jì)算求出光強(qiáng)度最小值附近的圖案形狀，算出準(zhǔn)確的暗點(diǎn)位置。通過(guò)并用該兩種分析方法，可進(jìn)行高速且耐噪聲而且精度高的偏振光分析。
上述的本發(fā)明偏振光分析裝置或利用該裝置的偏振光橢圓計(jì)，通過(guò)利用光子晶體(多重圖案光子晶體)，可非常高精度制作。另外，作為受光元件陣列可采用CCD等現(xiàn)有的圖像傳感器。因而，與傳統(tǒng)制品相比，本發(fā)明的偏振光橢圓計(jì)不僅可實(shí)現(xiàn)非常小型且低價(jià)的裝置，而且裝置的可靠性也極高。因此，可期待導(dǎo)入薄膜加工裝置內(nèi)部，作為對(duì)膜厚、膜質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)器使用等，在傳統(tǒng)偏振光橢圓計(jì)幾乎不能實(shí)現(xiàn)的新使用方法。以下簡(jiǎn)單說(shuō)明本發(fā)明的權(quán)利要求。
權(quán)利要求1的偏振光分析裝置，其特征在于包括設(shè)有透過(guò)的偏振波方向不同的多個(gè)區(qū)域的起偏器陣列；以及設(shè)有帶給透射光的相位差一定且光軸方向不同的多個(gè)區(qū)域的波片陣列，使所述波片陣列在前面而所述起偏器陣列在后面地重疊配置，并二維配置可個(gè)別地接受通過(guò)波片和起偏器重疊而得到的各區(qū)域的光的受光元件陣列。這里，波片陣列、起偏器陣列及受光元件陣列可通過(guò)直接粘貼來(lái)一體化，但可在各陣列間配置中繼透鏡，使透過(guò)各陣列后的像在下個(gè)陣列上成像。另外，為了實(shí)現(xiàn)在整個(gè)偏振波狀態(tài)上實(shí)現(xiàn)高精度的偏振波分析，最好波片陣列各區(qū)域的相位差為1/4波長(zhǎng)(π/2弧度)，且波片陣列的光軸方向及起偏器陣列的光軸方向至少包括從0°到180°的范圍。另外，起偏器陣列及波片陣列的區(qū)域的分割數(shù)越多測(cè)定精度就越高。
權(quán)利要求2的偏振光分析裝置，其特征在于包括設(shè)有透過(guò)的偏振波方向不同的至少2個(gè)以上條狀區(qū)域的起偏器陣列；以及設(shè)有帶給透射光的相位差一定且光軸方向不同的至少2個(gè)以上條狀區(qū)域的波片陣列，使所述波片陣列在前面而所述起偏器陣列在后面而各條紋交叉地配置，并配置可個(gè)別接受通過(guò)各交叉區(qū)域的光的受光元件陣列。與權(quán)利要求1的場(chǎng)合同樣，波片陣列、起偏器陣列及受光元件陣列也可直接粘貼而一體化，但也可在各陣列間配置中繼透鏡，使透過(guò)各陣列后的像成像于下個(gè)陣列上。另外，為了在整個(gè)偏振波狀態(tài)上實(shí)現(xiàn)高精度的偏振波分析，最好波片陣列各區(qū)域的相位差為1/4波長(zhǎng)(π/2弧度)，且波片陣列的光軸方向及起偏器陣列的光軸方向至少包括從0°到180°的范圍。另外，起偏器陣列及波片陣列的條狀區(qū)域的數(shù)量越多測(cè)定精度就越高。
權(quán)利要求3的偏振光分析裝置，其特征在于在權(quán)利要求1或2所述的偏振光分析裝置中，所述起偏器陣列及所述波片陣列由在層疊方向上層形狀有周期性且各層形狀在按每個(gè)區(qū)域確定的面內(nèi)一個(gè)方向上具有重復(fù)的周期性凹凸形狀的電介質(zhì)多層膜構(gòu)成。
權(quán)利要求4的偏振光分析裝置，其特征在于包括設(shè)有透過(guò)的偏振波方向不同的多個(gè)區(qū)域的起偏器陣列；以及設(shè)有光軸方向一樣且透射光的相位差不同的多個(gè)區(qū)域的波片陣列，使所述波片陣列在前面而所述起偏器陣列在后面地分別重疊配置，并配置可個(gè)別地接受通過(guò)由波片與起偏器的重疊而獲得的各區(qū)域的光的光元件陣列。這里，波片陣列、起偏器陣列及受光元件陣列可通過(guò)直接粘貼來(lái)一體化，但可在各陣列間配置中繼透鏡，使透過(guò)各陣列后的像在下個(gè)陣列上成像。另外，為了在整個(gè)偏振波狀態(tài)上實(shí)現(xiàn)高精度的偏振波分析，最好波片陣列各區(qū)域的相位差包括從0°到360°的范圍，且起偏器陣列的主軸角度包括從0°到180°的范圍。另外，起偏器陣列及波片陣列的區(qū)域的分割數(shù)越多測(cè)定精度就越高。
權(quán)利要求5的偏振光分析裝置，其特征在于包括設(shè)有透過(guò)的偏振波方向不同的至少2個(gè)以上條狀區(qū)域的起偏器陣列；以及設(shè)有光軸方向一樣且透射光的相位差不同的至少2個(gè)以上條狀區(qū)域的波片陣列，使所述波片陣列在前面而所述起偏器陣列在后面而各條紋交叉地配置，并配置可個(gè)別接受通過(guò)各交叉部分的光的光元件陣列。與權(quán)利要求4的場(chǎng)合同樣，波片陣列、起偏器陣列及受光元件陣列也可直接粘貼而一體化，但也可在各陣列間配置中繼透鏡，使透過(guò)各陣列后的像成像于下個(gè)陣列上。另外，為了在整個(gè)偏振波狀態(tài)上實(shí)現(xiàn)高精度的偏振波分析，最好波片陣列各區(qū)域的相位差包括從0°到360°的范圍，且起偏器陣列的主軸角度包括從0°到180°的范圍。另外，起偏器陣列及波片陣列的區(qū)域的分割數(shù)越多測(cè)定精度就越高。
權(quán)利要求6的偏振光分析裝置，其特征在于在權(quán)利要求4或5所述的偏振光分析裝置中，所述起偏器陣列由在層疊方向形狀有周期性且各層形狀按每個(gè)區(qū)域確定的面內(nèi)一個(gè)方向上具有重復(fù)的周期性凹凸形狀的電介質(zhì)多層膜構(gòu)成，所述波片陣列由在層疊方向上形狀有周期性且具有按每個(gè)區(qū)域確定的重復(fù)周期且在共同的一個(gè)方向上具有周期性凹凸形狀的電介質(zhì)多層膜構(gòu)成。
權(quán)利要求7的偏振光分析裝置，其特征在于同時(shí)具有權(quán)利要求1、2或3所述的偏振光分析裝置和權(quán)利要求4、5或6所述的偏振光分析裝置，使測(cè)量的光束分別入射偏振光分析裝置。
權(quán)利要求8的偏振光分析裝置，其特征在于在權(quán)利要求1至權(quán)利要求7中任一項(xiàng)所述的偏振光分析裝置中，在所述波片陣列和所述起偏器陣列之間，或所述起偏器陣列與所述受光元件陣列之間的某一方或兩方設(shè)置光吸收性的層，或者在所述波片陣列及所述起偏器陣列或所述受光元件陣列的至少1個(gè)上，通過(guò)在所述陣列的各區(qū)域邊界上形成透明區(qū)域或不透明區(qū)域，使不需要的多重反射光衰減。
權(quán)利要求9的偏振光分析裝置，其特征在于在權(quán)利要求1至權(quán)利要求8中任一項(xiàng)所述的偏振光分析裝置中，所述波片陣列和所述起偏器陣列的周邊部分設(shè)置相對(duì)入射偏振光各向同性的透明區(qū)域，或者在所述波片陣列和所述起偏器陣列的各區(qū)域邊界部分的一部分上設(shè)置相對(duì)入射偏振光各向同性的透明區(qū)域，并與受光元件陣列組合，從而將本來(lái)想要測(cè)定的通過(guò)起偏器和波片之后的光強(qiáng)度分布與入射光強(qiáng)度分布或起偏器陣列和波片陣列的透射損耗分布同時(shí)測(cè)定，并校正測(cè)定結(jié)果。
權(quán)利要求10的偏振光分析裝置，其特征在于在權(quán)利要求1至權(quán)利要求9中任一項(xiàng)所述的偏振光分析裝置中，為了抑制來(lái)自所述波片陣列及所述起偏器陣列的各區(qū)域邊界部分的衍射光及散射光的影響，在所述波片陣列及所述起偏器陣列的各區(qū)域邊界部分設(shè)置遮光區(qū)域，或者在所述波片陣列及所述起偏器陣列的邊界部分將對(duì)應(yīng)的受光元件陣列的區(qū)域遮光。顯然，可同時(shí)進(jìn)行所述波片陣列及所述起偏器陣列邊界部分的遮光與受光元件陣列的對(duì)應(yīng)區(qū)域的遮光。
權(quán)利要求11的偏振光分析裝置，其特征在于通過(guò)在面內(nèi)配置多個(gè)權(quán)利要求1至權(quán)利要求10中任一項(xiàng)所述的偏振光分析裝置，回避入射光束的位置變動(dòng)造成的測(cè)定誤差。
權(quán)利要求12的光測(cè)量裝置或光測(cè)量方式，其特征在于采用權(quán)利要求1至權(quán)利要求11中任一項(xiàng)所述的偏振光分析裝置。
權(quán)利要求13的偏振光橢圓計(jì)，其特征在于使特定波長(zhǎng)的偏振光對(duì)測(cè)定試料以預(yù)定角度入射，并將來(lái)自測(cè)定試料的反射光導(dǎo)入權(quán)利要求1至權(quán)利要求11中任一項(xiàng)所述的偏振光分析裝置，由受光元件陣列獲得的光強(qiáng)度分布求出P偏振光分量及S偏振光分量的振幅反射率比。這時(shí)為去除來(lái)自試料的反射光以外的光并提高測(cè)定精度，可在所述偏振光分析裝置前插入與入射光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)濾波片。
權(quán)利要求14的偏振光橢圓計(jì)，其特征在于在真空薄膜形成裝置中，向薄膜淀積中的基板表面使特定波長(zhǎng)且特定偏振光狀態(tài)的光按預(yù)定角度入射，并將來(lái)自基板表面的反射光導(dǎo)入權(quán)利要求1至權(quán)利要求11中任一項(xiàng)所述的偏振光分析裝置，由受光元件陣列獲得的光強(qiáng)度分布求出P偏振光分量及S偏振光分量的振幅反射率比。這時(shí)為去除來(lái)自試料的反射光以外的成膜裝置內(nèi)放射光或散射光，最好在所述偏振光分析裝置前插入與入射光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)濾波片。
權(quán)利要求15的膜厚及膜質(zhì)控制裝置，其特征在于將由權(quán)利要求13或權(quán)利要求14所述的偏振光橢圓計(jì)獲得的膜厚及膜質(zhì)信息，反饋到成膜速度或成膜時(shí)間的控制裝置。
權(quán)利要求16的膜厚及膜質(zhì)控制裝置，其特征在于設(shè)有至少2個(gè)以上權(quán)利要求13或權(quán)利要求14所述的偏振光橢圓計(jì)，將基板不同位置的膜厚及膜質(zhì)按部位測(cè)量而獲得的信息，反饋到膜厚及膜質(zhì)分布校正控制裝置。
權(quán)利要求17的偏振光分析方法或偏振光分析系統(tǒng)，其特征在于使設(shè)有相位差一定且光軸方向不同的多個(gè)區(qū)域的波片陣列和設(shè)有透過(guò)的偏振波方向不同的多個(gè)區(qū)域的起偏器陣列重疊，并將可個(gè)別接受通過(guò)波片的某一區(qū)域和起偏器的某一區(qū)域的光的受光元件陣列二維配置的偏振光分析裝置中，通過(guò)利用由所述受光元件陣列觀測(cè)到的二維強(qiáng)度分布圖案僅由DC分量和最多三個(gè)頻率分量表示的特征，求出入射光的偏振光狀態(tài)。
權(quán)利要求18的偏振光分析方法或偏振光分析系統(tǒng)，其特征在于在權(quán)利要求17所述的偏振光分析方法或偏振光分析系統(tǒng)中，利用由受光元件陣列觀測(cè)到的強(qiáng)度分布圖案的最大點(diǎn)或最小點(diǎn)附近的圖案形狀特征，將取樣值擬合或插補(bǔ)，求出橢圓對(duì)稱(chēng)的消光點(diǎn)或光量的最小點(diǎn)，并求出入射光的偏振光狀態(tài)。
權(quán)利要求19的偏振光分析方法或偏振光分析系統(tǒng)，其特征在于在權(quán)利要求17所述的偏振光分析方法及偏振光分析系統(tǒng)中，作為觀測(cè)的強(qiáng)度分布圖案的形狀分析方法，采用傅里葉變換。
權(quán)利要求20的偏振光分析方法或偏振光分析系統(tǒng)，其特征在于并用權(quán)利要求18所述的偏振光分析方法和權(quán)利要求19所述的偏振光分析方法。
權(quán)利要求21的偏振光分析方法或偏振光分析系統(tǒng)，其特征在于在權(quán)利要求17至權(quán)利要求20中任一項(xiàng)所述的偏振光分析方法或偏振光分析系統(tǒng)中，通過(guò)分析觀測(cè)到的強(qiáng)度分布圖案的形狀，檢出所述偏振光分析裝置中使用的波片陣列相位差的值，自校正與設(shè)計(jì)值之間的偏差。
權(quán)利要求22的信號(hào)處理方式，其特征在于在權(quán)利要求17至權(quán)利要求21中任一項(xiàng)所述的偏振光分析方法或偏振光分析系統(tǒng)中，除去來(lái)自波片陣列或起偏器陣列的各區(qū)域邊界部分的散射光及衍射光的影響，因此從受光元件陣列輸出的信號(hào)中，去除來(lái)自接受所述散射光及衍射光的區(qū)域的信號(hào)。
附圖的簡(jiǎn)單說(shuō)明圖1是由光子晶體構(gòu)成的起偏器或波片的概念圖。
圖2是表示圖1所示光子晶體的傳播特性的帶圖。
圖3是用光子晶體構(gòu)成的“角度變化型”偏振光分析裝置。
圖4是一例采用圖3所示偏振光分析裝置時(shí)觀測(cè)的光強(qiáng)度分布。
圖5是表現(xiàn)光的偏振光狀態(tài)的方法的概念圖。
圖6是用光子晶體構(gòu)成的“相位差變化型”偏振光分析裝置。
圖7是一例采用圖6所示偏振光分析裝置時(shí)觀測(cè)的光強(qiáng)度分布。
圖8是一例按照波片與起偏器的分割數(shù)不同的強(qiáng)度分布圖案。
圖9是一例測(cè)定的強(qiáng)度分布圖案和插補(bǔ)后強(qiáng)度分布的關(guān)系。
圖10是表示入射偏振波的斜率和觀測(cè)到的強(qiáng)度分布圖案之關(guān)系的概念圖。
圖11是一例觀測(cè)的強(qiáng)度分布圖案(與入射偏振波橢圓率的關(guān)系)。
圖12是一例觀測(cè)的強(qiáng)度分布圖案(與入射偏振波斜率的關(guān)系)。
圖13是分析強(qiáng)度分布圖案的偏振光分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)例。
圖14是觀測(cè)的強(qiáng)度分布圖案的暗點(diǎn)附近的等高線形狀的示圖。
圖15是將圖案形狀與數(shù)據(jù)庫(kù)比較的偏振光分析方法的概念圖。
圖16是去除陣列邊界部分的影響的信號(hào)處理方式的示圖。
圖17是強(qiáng)度分布圖案的傅里葉分析的模擬結(jié)果(其1)。
圖18是強(qiáng)度分布圖案的傅里葉分析的模擬結(jié)果(其2)。
圖19是一例并用傅里葉分析和暗點(diǎn)檢出法的圖案分析算法。
圖20是表示波片陣列和起偏器陣列一體化的方法的概念圖。
圖21是波片陣列和起偏器陣列一體化的第二方法的概念圖。
圖22是將圖3和圖6的偏振光分析裝置一體化的偏振光分析裝置的概念圖。
圖23是抑制偏振光分析裝置中光的多重反射的方法的概念圖。
圖24是抑制偏振光分析裝置中光的多重反射的第二方法的概念圖。
圖25是校正入射光強(qiáng)度分布或損耗分布的偏振光分析裝置的結(jié)構(gòu)例(其1)。
圖26是校正入射光強(qiáng)度分布或損耗分布的偏振光分析裝置的結(jié)構(gòu)例(其2)。
圖27是通過(guò)遮光區(qū)域回避散射/衍射光之影響的偏振光分析裝置的結(jié)構(gòu)例。
圖28是用以回避入射光位置變動(dòng)之影響的偏振光分析裝置的結(jié)構(gòu)例。
圖29是利用本發(fā)明的偏振光橢圓計(jì)的結(jié)構(gòu)的概念圖。
圖30利用本發(fā)明的分光偏振光橢圓計(jì)的結(jié)構(gòu)的概念圖。
圖31是薄膜加工中的在線膜厚/膜質(zhì)監(jiān)測(cè)器的概念圖。
圖32是薄膜加工中的在線膜厚/膜質(zhì)及分布監(jiān)測(cè)器的概念圖。
圖33是一例濺鍍裝置中膜厚/膜質(zhì)及分布的控制方法(其1)。
圖34是一例濺鍍裝置中膜厚/膜質(zhì)及分布的控制方法(其2)。
圖35是一例濺鍍裝置中膜厚/膜質(zhì)及分布的控制方法(其3)。
圖36是一例真空蒸鍍裝置中膜厚/膜質(zhì)及分布的控制方法。
圖37是校正波片陣列相位差偏移的方法的第一實(shí)施例示圖。
圖38是校正波片陣列相位差偏移的方法的第二實(shí)施例示圖。
本發(fā)明的最佳實(shí)施方式首先，就由自凸面加工型光子晶體構(gòu)成的起偏器陣列和同樣由自凸面加工型光子晶體構(gòu)成的波片陣列以及受光元件陣列的組合而構(gòu)成的偏振光分析裝置進(jìn)行說(shuō)明。如以上說(shuō)明，光子晶體起偏器及光子晶體波片由圖1的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，通過(guò)在形成二維溝槽圖案的基板101上使兩種無(wú)機(jī)材料102及103自凸面加工生長(zhǎng)來(lái)作成。這時(shí)，通過(guò)控制在基板101上作成的溝槽的周期、成膜用材料、各層的周期等，可自由設(shè)計(jì)光的折射率、光子帶隙(PBG)的頻帶等各種特性。利用該特征，適當(dāng)選擇設(shè)計(jì)參數(shù)，從而，不僅能夠作成使某一特定波長(zhǎng)光中，一方偏振波(TM與基板圖案垂直的偏振波)透過(guò)，而另一方偏振波(TE與基板圖案平行的偏振波)被遮斷的起偏器(偏振光分離元件)，而且能夠作成對(duì)2個(gè)偏振波間帶來(lái)任意相位差的波片。
在圖3示出實(shí)現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求3表示的使用光子晶體的“波片角度變化型”偏振光分析裝置的結(jié)構(gòu)例。波片陣列301及起偏器陣列302使用自凸面加工型光子晶體構(gòu)成，可將圖示那樣復(fù)雜結(jié)構(gòu)分別用一次加工制作。光子晶體波片陣列301排列M個(gè)將每個(gè)溝槽方向(波片光軸的方向)稍微改變的區(qū)域，經(jīng)設(shè)計(jì)使各區(qū)域的滯后量(TM光與TE光的相位差)一定。同樣，光子晶體起偏器陣列302也排列N個(gè)將每個(gè)溝槽方向(遮斷的偏振波方向)稍微改變的區(qū)域，經(jīng)設(shè)計(jì)使各區(qū)域的偏振波消光比充分高。圖中設(shè)x軸方向?yàn)樗椒较?，y軸方向?yàn)榇怪狈较?，波片與起偏器的軸的角度以x軸為基準(zhǔn)從0°到180°逐漸變化，但取基準(zhǔn)軸的方法或角度的范圍是任意的。另外，圖中將結(jié)晶軸不同的區(qū)域，在波片陣列301上沿x方向(橫向)而在起偏器陣列302中沿y方向(縱向)分別使角度逐漸變化地排列，但如果使波片與起偏器的排列方向交叉，排列方向或排列順序就為任意。將這種波片陣列和起偏器陣列互相正交地粘貼，在其后方配置受光元件陣列303，并個(gè)別地測(cè)量透過(guò)由波片陣列和起偏器陣列的重疊而作成的M×N個(gè)區(qū)域的光強(qiáng)度。作為受光器陣列，可采用CCD等現(xiàn)有的元件，可實(shí)現(xiàn)充分小型的器件。
入射光以比上述偏振光分析裝置充分大的光點(diǎn)尺寸入射。入射光通過(guò)波片陣列按每個(gè)區(qū)域變換偏振波狀態(tài)后，只令由起偏器陣列各區(qū)域的軸方向規(guī)定的特定偏振波分量透過(guò)。因而，受光元件陣列中的各個(gè)受光元件檢出透過(guò)各自不同角度的波片、起偏器的光，且分析各受光元件檢出的光強(qiáng)度，可二維地把握入射光的偏振光狀態(tài)。
圖4示出一例在這種波片角度變化型偏振光分析裝置中，設(shè)波片陣列的相位差為π/2(1/4波長(zhǎng))，并將波片陣列及起偏器陣列的分割數(shù)設(shè)為16時(shí)，256元件的檢出器陣列感光的強(qiáng)度分布的模擬結(jié)果。這里示出將1/4波片陣列各區(qū)域的主軸角度從0°到180°為止每12°變化并縱軸方向排列，起偏器陣列各區(qū)域的主軸角度(透過(guò)的偏振波的角度)也同樣，從0°到180°為止每12°變化并橫軸方向排列時(shí)的模擬結(jié)果。由此結(jié)果可知按照入射光的偏振光狀態(tài)，檢出器檢出的光強(qiáng)度分布形狀變化，因此通過(guò)分析所獲得的強(qiáng)度分布圖案，可辨別入射光的偏振光狀態(tài)。這與采用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)1/4波片或旋轉(zhuǎn)起偏器的消光型的偏振光橢圓計(jì)相比，可期待裝置的小型化或測(cè)定時(shí)間的短縮及測(cè)定精度提高等眾多效果。
接著，在圖6示出實(shí)現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求6所示的采用光子晶體的“波片相位差變化型”偏振光分析裝置的結(jié)構(gòu)例。波片陣列601及起偏器陣列602由自凸面加工型光子晶體形成，能夠容易實(shí)現(xiàn)圖示那樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。起偏器陣列602與已述的圖3(權(quán)利要求3)同樣，排列N個(gè)逐漸改變溝槽方向(遮斷的偏振波方向)的區(qū)域，并設(shè)計(jì)成各區(qū)域的偏振波消光比充分高。另一方面，波片陣列601中所有區(qū)域上溝槽方向(光軸方向)相同，使各區(qū)域的滯后量變化M次。圖中，使波片陣列的光軸相對(duì)x軸(水平方向)成為45°，但可設(shè)定為0°或90°等任意角度。另外，與波片角度變化型(圖3)的場(chǎng)合同樣，取基準(zhǔn)軸的方法、陣列的排列方向、排列順序、起偏器陣列的主軸的角度范圍及波片陣列的相位差的范圍是任意的。將這樣的波片陣列和起偏器陣列互相正交地粘貼，在其后方配置受光元件陣列603，個(gè)別地測(cè)量分別透過(guò)通過(guò)波片陣列與起偏器陣列分別重疊而作成的M×N個(gè)區(qū)域的光強(qiáng)度。該波片相位差變化型偏振光分析裝置的場(chǎng)合，也與上述波片角度變化型的場(chǎng)合同樣，通過(guò)分析受光元件陣列的各受光元件接受的光強(qiáng)度，可二維把握入射光的偏振光狀態(tài)。
圖7示出一例在相位差變化型偏振波分析裝置中，將波片陣列及起偏器陣列的分割數(shù)分別設(shè)為16，使起偏器陣列的主軸從0°至180°為止每12°變化，并使波片陣列的滯后量從0°至360°為止每24°變化時(shí)的受光元件陣列感光的強(qiáng)度分布。與在前圖4場(chǎng)合同樣，橫軸取起偏器的主軸角度(透過(guò)的偏振波方向)，縱軸取波片的滯后量，通過(guò)模擬方式求出256元件的受光器感光的光強(qiáng)度。這時(shí)對(duì)應(yīng)入射光的偏振光狀態(tài)，檢出器檢出的光強(qiáng)度分布改變，因此通過(guò)分析所獲得的強(qiáng)度分布圖案，可判別入射光的偏振光狀態(tài)。這與采用傳統(tǒng)的相位調(diào)制器的旋轉(zhuǎn)檢偏器型偏振光橢圓計(jì)相比，可期待裝置的小型化、測(cè)定時(shí)間的短縮及測(cè)定精度的提高等眾多效果。
接著，采用這些波片角度變化型及波片相位差變化型的偏振光分析裝置時(shí)的偏振光分析方法進(jìn)行說(shuō)明。如上所述，在本發(fā)明偏振光分析裝置中觀測(cè)到的強(qiáng)度分布圖案的形狀依賴于入射光的偏振光狀態(tài)。因而，通過(guò)分析觀測(cè)的強(qiáng)度分布圖案，可反向判定入射光的偏振光狀態(tài)。作為該圖案分析方法，以下簡(jiǎn)單說(shuō)明最單純的方法即檢出強(qiáng)度分布圖案的最大值(亮點(diǎn))或最小值(暗點(diǎn)、零點(diǎn))的方法。
關(guān)于波片角度變化型、波片相位差變化型任一場(chǎng)合的偏振光分析裝置，如果適當(dāng)選擇波片陣列及起偏器陣列的角度范圍，觀測(cè)到的強(qiáng)度分布圖案上必會(huì)存在亮點(diǎn)和暗點(diǎn)，其位置依賴于入射偏振波。因而，如果能夠檢出該亮點(diǎn)位置或暗點(diǎn)位置，就可特定偏振光狀態(tài)。實(shí)際上通過(guò)考慮入射光的強(qiáng)度隨時(shí)間變動(dòng)的場(chǎng)合或入射光的光束分布在陣列全范圍內(nèi)并不均勻的場(chǎng)合，可得知與其檢出亮點(diǎn)不如檢出暗點(diǎn)更加容易，因此以下就暗點(diǎn)檢出法的場(chǎng)合進(jìn)行描述，但亮點(diǎn)檢出的場(chǎng)合，其理論也完全同樣成立。
理想地將波片陣列及起偏器陣列的分割數(shù)無(wú)限增大，則可準(zhǔn)確得知觀測(cè)到的強(qiáng)度分布圖案的暗點(diǎn)位置，但實(shí)際陣列中分割數(shù)有限，因此所獲得的暗點(diǎn)位置存在對(duì)應(yīng)陣列分割數(shù)的誤差。作為一例，圖8示出在波片角度變化型偏振波分析裝置中，將波片陣列和起偏器陣列的主軸角度從0°到180°為止每12°變化時(shí)(16分割)和每1°變化時(shí)(181分割)的兩種情況下，水平方向的直線偏振波入射時(shí)的強(qiáng)度分布的模擬結(jié)果。由該圖可知181分割時(shí)兩個(gè)暗點(diǎn)(白點(diǎn)及箭頭表示)以±1°的精度求出，但16分割時(shí)由于分割粗而難以準(zhǔn)確獲知暗點(diǎn)位置。為了提高暗點(diǎn)位置的分辨率，陣列的分割數(shù)越多就越好，但考慮到實(shí)際的制造和成本，最好以盡量少的分割數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
為了以較少的分割數(shù)盡量高精度求出暗點(diǎn)位置，其有效方法是對(duì)每次觀測(cè)到的強(qiáng)度分布進(jìn)行插補(bǔ)，并通過(guò)計(jì)算求出連續(xù)的強(qiáng)度分布的方法。作為一例，可考慮在波片相位差變化型偏振波分析裝置中，設(shè)波片陣列的主軸角度相對(duì)水平方向?yàn)?5°，使相位差從0°到360°為止每24°變化(16分割)，并使起偏器陣列的主軸角度從0°到180°為止每12°變化(16分割)的場(chǎng)合。圖9示出向該偏振光分析裝置入射了右旋圓偏振波時(shí)，觀測(cè)到的強(qiáng)度分布及對(duì)所獲得的結(jié)果進(jìn)行樣條插補(bǔ)后的連續(xù)的強(qiáng)度分布的模擬結(jié)果。由圖可知通過(guò)對(duì)強(qiáng)度分布進(jìn)行插補(bǔ)，能夠得到不并遜于增加陣列分割數(shù)時(shí)的連續(xù)的強(qiáng)度分布。由于能夠基于該插補(bǔ)后的數(shù)據(jù)，經(jīng)近似計(jì)算求出強(qiáng)度最小的點(diǎn)(用白點(diǎn)表示)，在分割數(shù)較少的情況下也能準(zhǔn)確判定偏振波狀態(tài)。經(jīng)插補(bǔ)求得的暗點(diǎn)位置精度與陣列的分割數(shù)相關(guān)，因此基于裝置要求的精度，確定陣列的分割數(shù)即可。
如上所述，暗點(diǎn)檢出法中基于受光元件陣列檢出的光的相對(duì)強(qiáng)度分布可瞬間判別偏振光狀態(tài)，因此不需要有關(guān)光強(qiáng)度絕對(duì)值的信息。例如具有在入射光有強(qiáng)度分布時(shí)，或有光的強(qiáng)度變動(dòng)時(shí)等，能以較高精度進(jìn)行偏振光分析的特征。但是，該暗點(diǎn)檢出法并非萬(wàn)能的，如上所述，例如在波片滯后量并不嚴(yán)格為1/4波長(zhǎng)時(shí)，暗點(diǎn)位置從理想位置偏離，因此測(cè)定精度變差。為了解決該不良情況，本發(fā)明中作為偏振波分析方法提供“傅里葉分析法”和“圖案形狀擬合法”兩種。
在對(duì)各圖案形狀分析方法進(jìn)行說(shuō)明之前，簡(jiǎn)單說(shuō)明受光元件陣列觀測(cè)到的圖案形狀的特征。本發(fā)明使用的偏振光分析裝置觀測(cè)到的光強(qiáng)度分布如說(shuō)明圖5的式3及式4表示，可由入射光的橢圓率(ε)和橢圓的斜率(γ)的函數(shù)來(lái)表示。這里，橢圓的斜率(γ)定義某一軸方向(這時(shí)水平方向)作為基準(zhǔn)，但基準(zhǔn)軸的方向?yàn)槿我夥较颉Ｒ蚨?，橢圓斜率(γ)的改變，相當(dāng)于取基準(zhǔn)軸的方法，即改變波片陣列和起偏器陣列的各區(qū)域的排列順序的情況。例如，如圖10所示，若入射偏振光的橢圓率一定(ε值為任意)，則橢圓斜率為0°時(shí)將偏振光分析裝置1001水平配置獲得的強(qiáng)度分布和橢圓斜率為45°時(shí)將相同偏振光分析裝置1002以45°配置的場(chǎng)合觀測(cè)到的結(jié)果完全相同。偏振光分析裝置1002得到的測(cè)定結(jié)果和偏振光分析裝置1003得到的測(cè)定結(jié)果相同，這相當(dāng)于改換偏振光分析裝置1001的波片陣列和起偏器陣列的排列順序的場(chǎng)合。由此可知當(dāng)改變?nèi)肷涔獾钠癫ǖ男甭蕰r(shí)，觀測(cè)到的強(qiáng)度分布圖案在面內(nèi)水平移動(dòng)，其圖案凹凸形狀本身不變化。作為一例，圖11示出將入射光的橢圓率設(shè)為一定(ε＝0.5)，將橢圓角度(γ)按0°、45°、90°變化時(shí)觀測(cè)到的光強(qiáng)度分布。
另一方面，能夠容易想到入射光的橢圓率變化時(shí)圖案形狀變化的情況。作為一例，圖12示出將入射光的斜率設(shè)為γ＝0°且一定，使橢圓率ε按0(直線偏振光)、0.2、0.5、1(右旋圓偏振光)變化的情況下，觀測(cè)到的光強(qiáng)度分布。當(dāng)入射光為直線偏振光時(shí)，圖案成為“船底形”的周期形狀，而隨著橢圓率的增大，圖案形狀被拉伸，當(dāng)圓偏振光時(shí)成為橢圓被無(wú)限拉伸的極限的直線周期形狀。由此，可由受光元件陣列觀測(cè)到的光強(qiáng)度分布圖案的凹凸形狀求出入射偏振光的橢圓率(ε)，可知由圖案在平面內(nèi)的相對(duì)位置(坐標(biāo))求出入射偏振光的斜率(γ)。圖13示出用以實(shí)施本發(fā)明偏振光分析方法或偏振光分析系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)例。在CPU1303接收通過(guò)利用波片陣列及起偏器陣列的偏振光分析裝置1301觀測(cè)到的光強(qiáng)度分布1302，分析其二維圖案形狀。以下，就各偏振光分析方法進(jìn)行說(shuō)明。
首先，作為一例權(quán)利要求18所示的基于光強(qiáng)度分布的擬合的偏振波分析法，就分析觀測(cè)到的強(qiáng)度分布圖案的等高線形狀的偏振光分析算法進(jìn)行說(shuō)明。強(qiáng)度分布的等高線形狀可通過(guò)從觀測(cè)到的強(qiáng)度分布數(shù)據(jù)抽取強(qiáng)度相等的點(diǎn)來(lái)簡(jiǎn)單求出。這時(shí)，若波片陣列及起偏器陣列的分割數(shù)較少，則為獲得更準(zhǔn)確的等高線形狀，其有效方法是通過(guò)擬合計(jì)算對(duì)每次觀測(cè)到的值進(jìn)行插補(bǔ)，求出光滑的強(qiáng)度分布后算出等高線形狀的方法。等高線如圖11及圖12所示，可對(duì)觀測(cè)到的強(qiáng)度分布圖案全部區(qū)域求出，也可對(duì)圖案特征顯示最好的明點(diǎn)附近或暗點(diǎn)附近求出。如果能分析這樣求得的等高線形狀和位置，就能像上述那樣求出入射光的偏振光狀態(tài)。這里，作為等高線的形狀分析方法之例，簡(jiǎn)單說(shuō)明分析圖案暗點(diǎn)(最小值)附近的等高線形狀的斜率及位置的方法和與預(yù)先準(zhǔn)備的圖案數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較的方法。
首先，就檢出等高線的斜率及位置的方法進(jìn)行說(shuō)明。作為一例，在圖14匯集了之前在圖4及圖11所示的入射光為直線偏振光(ε＝0)時(shí)和右旋圓偏振光時(shí)(ε＝1)及右旋橢圓偏振光(ε＝0.5)時(shí)，僅描繪觀測(cè)到的強(qiáng)度分布圖案暗點(diǎn)附近的等高線的結(jié)果。一般波片陣列及起偏器陣列的主軸角度范圍從0°到180°的場(chǎng)合，暗點(diǎn)在面內(nèi)存在兩處，圖14中為了避免混亂，僅顯示代表的暗點(diǎn)附近的等高線。由該圖可知暗點(diǎn)附近的等高線形狀大致為橢圓形，其形狀可表現(xiàn)為A(φ-φo)2+B(φ-φo)(θ-θ0)+C(θ-θ0)2+D＝0(式5)其中，A、B、C及D為常數(shù)。可知該暗點(diǎn)的位置在入射偏振波的橢圓率(ε)一定時(shí)，存在于由橢圓率確定的特定直線上。例如，直線偏振光(ε＝1)時(shí)暗點(diǎn)存在于直線P-p上，右旋圓偏振光時(shí)暗點(diǎn)存在于直線Q-q上或Q’-q’上，而ε＝0.5的橢圓偏振光時(shí)的暗點(diǎn)位置存在于直線R-r上或R’-r’上。另外，雖然未在圖中顯示，左旋圓偏振光入射時(shí)的暗點(diǎn)位置與右旋時(shí)對(duì)稱(chēng)，存在于直線S-s或S’-s’上?？芍?dāng)入射偏振光的斜率(γ)變化時(shí)，暗點(diǎn)位置在由橢圓率(ε)確定的上述直線上移動(dòng)。
另外，可知暗點(diǎn)附近的以等高線方式獲得的橢圓斜率隨入射光的橢圓率而變化。在圓偏振光時(shí)的等高線成為橢圓被無(wú)限細(xì)長(zhǎng)而達(dá)到極限的直線形狀，最小值的軌跡的斜率為1，隨著橢圓率的減小，等高線的橢圓斜率變小。利用此特征，可求出入射光的偏振光狀態(tài)?？傊绻軌蛲ㄟ^(guò)上述式5將偏振光分析裝置觀測(cè)到的強(qiáng)度分布圖案的等高線形狀擬合，就可準(zhǔn)確求出其斜率或位置，因此能夠準(zhǔn)確求出入射光的偏振光狀態(tài)(ε及γ)。
作為等高線的形狀分析方法的另一例，圖15示出將求得的圖案形狀與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較的方法。這時(shí)，預(yù)先將對(duì)應(yīng)各種偏振波狀態(tài)的圖案形狀數(shù)據(jù)庫(kù)化，將偏振光分析裝置1501觀測(cè)到的強(qiáng)度分布圖案，通過(guò)CPU1502變換到等高線數(shù)據(jù)，進(jìn)行與數(shù)據(jù)庫(kù)1503中存儲(chǔ)的圖案形狀的比較，檢索一致的數(shù)據(jù)，從而求出入射光的偏振光狀態(tài)。顯然，可通過(guò)同時(shí)進(jìn)行已述的等高線的位置及斜率檢出的方法和與數(shù)據(jù)庫(kù)比較的方法，進(jìn)行更加準(zhǔn)確的偏振光分析。
接著，說(shuō)明權(quán)利要求19表示的將觀測(cè)到的強(qiáng)度分布圖案傅里葉變換后，求其頻率分量的偏振光分析算法(傅里葉分析法)。將本發(fā)明使用的偏振光分析裝置觀測(cè)到的光強(qiáng)度分布的式(式3、式4)再次描述如下u→=1000cos(φ-θ)sin(φ-θ)-sin(φ-θ)cos(φ-θ)ejα001cos(θ-γ)sin(θ-γ)-sin(θ-γ)cos(θ-γ)1jϵ]]>(式6)|u→|2=u→*·u→]]>(式7)若變形該式并用入射光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)化，則得到|u→|2·11+ϵ2=12]]>DC分量+14·1-ϵ21+ϵ2(1+cosα)·cos(Φ-2γ)...X]]>
+14·1-ϵ21+ϵ2(1-cosα)·cos(2Θ-Φ-2γ)...Y]]>+ϵ1+ϵ2sinα·sin(Θ-Φ)...Z]]>(式8)這里，簡(jiǎn)單起見(jiàn)2φ＝Φ、2θ＝Θ地置換。式8表示觀測(cè)到的二維強(qiáng)度分布由Φ、2Θ-Φ、Θ-Φ三個(gè)頻率分量構(gòu)成。如式8所示，將各頻率分量置于X、Y、Z時(shí)，可知若入射光為直線偏振光(ε＝0)則Z＝0，若為直線偏振光(ε＝1)則X＝Y(jié)＝0。另外，入射偏振光的斜率(γ)由X及Y的相位表現(xiàn)，因此可知在γ變化時(shí)各頻率分量的振幅即強(qiáng)度分布的形狀不變，這與已述的結(jié)果一致。
由式8可知如果能夠通過(guò)將偏振光分析裝置觀測(cè)到的強(qiáng)度分布傅里葉變換來(lái)計(jì)算其矢量，并求出各頻率分量的振幅和相位，就可準(zhǔn)確求出入射光的偏振光狀態(tài)。就是說(shuō)，當(dāng)已知各頻率分量X、Y、Z的值時(shí)，入射偏振光的斜率(γ)如式(9)所示γ＝(X的相位)/2或γ＝(Y的相位)/2(式9)可由X或Y的相位值的1/2來(lái)求得，入射光的橢圓率(ε)可由Z的振幅值如下求得。
(式10)作為傅里葉變換的偏振光分析之例，圖17和圖18示出在入射偏振波的橢圓率變化和斜率變化的場(chǎng)合(圖11、圖12)，由受光元件陣列觀測(cè)到的強(qiáng)度分布、將該強(qiáng)度分布傅里葉變換后的結(jié)果及通過(guò)傅里葉變換求得的各頻率分量倒算入射偏振光狀態(tài)的結(jié)果。圖的結(jié)果表示將偏振光分析裝置的波片陣列及起偏器陣列設(shè)為64分割，對(duì)將主軸角度從0°到180°為止(準(zhǔn)確地說(shuō)到177.1875°)每2.8125°變化時(shí)的強(qiáng)度分布進(jìn)行分析。另外，將經(jīng)傅里葉變換求得的各頻率分量用入射光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)化。由結(jié)果可知從獲得的各頻率分量的值倒算的偏振光狀態(tài)與入射偏振光一致。
但是，在實(shí)際偏振光分析裝置中，除了來(lái)自外部的雜散光影響之外，因各種電氣噪聲而在觀測(cè)到的強(qiáng)度分布上噪聲重疊。另外，受光元件陣列的光應(yīng)答中存在非線性時(shí)，就得不到正確的強(qiáng)度分布。因而，僅由上述擬合計(jì)算或傅里葉分析，所求得的偏振光狀態(tài)的誤差可能較大。在這種情況下，如權(quán)利要求20所示，通過(guò)并用等高線分析法與傅里葉分析法兩種，可實(shí)現(xiàn)更高精度的偏振光分析。例如，由包含噪聲的強(qiáng)度分布圖案的傅里葉分析結(jié)果，求圖案暗點(diǎn)附近有關(guān)圖案形狀的1次近似值，若能利用該近似值將取樣值擬合，求得準(zhǔn)確的等高線形狀，則能高精度求出入射光的偏振光狀態(tài)。
另外，作為偏振光分析裝置的噪聲對(duì)策，并用基于等高線分析或傅里葉分析法的偏振光分析方法和傳統(tǒng)的偏振光分析法即檢出圖案的最小值(暗點(diǎn))位置的方法(消光法)的方法也有效。如已說(shuō)明的那樣，消光法是非常簡(jiǎn)單的偏振波分析方法，可從強(qiáng)度分布圖案內(nèi)1點(diǎn)(例如最小點(diǎn))的坐標(biāo)信息瞬間求出入射偏振光的狀態(tài)。利用該方法，例如如圖19的(c)和(d)所示，若能利用通過(guò)對(duì)觀測(cè)到的強(qiáng)度分布圖案全體進(jìn)行傅里葉分析來(lái)獲得的暗點(diǎn)的1次近似的位置及暗點(diǎn)附近的強(qiáng)度分布2次曲線形狀的信息，將暗點(diǎn)附近的強(qiáng)度分布圖案與觀測(cè)到的取樣值準(zhǔn)確擬合，并高精度求出有關(guān)暗點(diǎn)位置的第2次近似值，則與如(b)那樣不具任何信息而進(jìn)行取樣點(diǎn)的擬合的場(chǎng)合相比，可作非常高精度的偏振光分析。(實(shí)際上測(cè)定數(shù)據(jù)為二維信息，但圖19中為簡(jiǎn)化而示出一維的場(chǎng)合)。另外，分析圖案全體形狀時(shí)，考慮到最大值時(shí)受光元件陣列也不飽和，確定光強(qiáng)度及測(cè)定時(shí)間(選通時(shí)間)，由于重點(diǎn)在最小值(暗點(diǎn))時(shí)無(wú)需考慮最大值的飽和，可通過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間取得S/N較高的數(shù)據(jù)。通過(guò)這種方法，可對(duì)暗點(diǎn)附近的形狀進(jìn)行更高精度的擬合，可提高入射偏振波狀態(tài)的分析精度。
以下，就本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。
(實(shí)施例1)在圖20示出權(quán)利要求1至權(quán)利要求6的偏振光分析裝置中，波片陣列和起偏器陣列一體化的例。在基板2004上形成溝槽圖案，并通過(guò)層疊多層膜2003來(lái)作成起偏器陣列。將該起偏器陣列層的最終層2002層疊稍厚，同時(shí)強(qiáng)加濺射蝕刻，則由自凸面加工形成的凹凸消失，可作出平坦的表面。表面平滑化采用機(jī)械研磨也并無(wú)特別問(wèn)題。然后，再通過(guò)光刻法作成新的波片用線和線間圖案，并通過(guò)自凸面加工層疊多層膜2001，作成波片陣列。起偏器陣列和波片陣列的圖案定位上，預(yù)先在基板的一部分設(shè)置定位用標(biāo)記即可。這樣，若能將起偏器陣列和波片陣列一體形成，則可通過(guò)與受光元件陣列2005組合，實(shí)現(xiàn)更小的偏振光分析裝置。
(實(shí)施例2)在圖21示出權(quán)利要求1至權(quán)利要求6的偏振光分析裝置中，將波片陣列和起偏器陣列一體化的另一例。該場(chǎng)合，在基板2102表面與背面分別形成溝槽圖案，并通過(guò)自凸面加工形成波片陣列層2101和起偏器陣列2103層來(lái)實(shí)現(xiàn)一體化。為了圖案的定位，基板2102可采用SiO2等透明基板，并帶有定位用標(biāo)記。通過(guò)該一體化波片/起偏器陣列和受光元件陣列2104的組合，能夠?qū)崿F(xiàn)小型偏振光分析裝置。
(實(shí)施例3)由圖4和圖7可知在波片角度變化型及波片相位差變化型的任一種偏振光分析裝置上，當(dāng)某一特定偏振波入射時(shí)強(qiáng)度成為零的位置并不表現(xiàn)為點(diǎn)而表現(xiàn)為線。例如，在角度變化型(圖4)的場(chǎng)合，入射右旋、左旋的圓偏振波的光時(shí)，強(qiáng)度分布呈線狀，而相位差變化型(圖7)的場(chǎng)合，入射與波片的主軸角度相同方向或正交方向的直線偏振光時(shí)，強(qiáng)度分布呈線狀。當(dāng)偏振波分析算法采用暗點(diǎn)檢出法時(shí)，在這些異常點(diǎn)和其附近的偏振光狀態(tài)，由于底部位置(或峰位置)并不定為一點(diǎn)，難以作偏振光狀態(tài)的判定。
于是，作為本發(fā)明權(quán)利要求7的實(shí)施例，圖22示出組合波片角度變化型偏振光分析裝置和波片相位差變化型偏振光分析裝置互補(bǔ)地使用的方法。將主軸角度變化型1/4波片陣列2201與滯后量(相位差)變化型波片陣列2202形成于同一基板上，并與起偏器陣列2203組合，并通過(guò)光檢出器陣列2204測(cè)量光強(qiáng)度分布。在自凸面加工型光子晶體上可用同一加工作成各種圖案，因此也能容易制作圖示那樣復(fù)雜圖案。圖中將各區(qū)域沿y軸方向排列，但各區(qū)域的配置位置或順序?yàn)槿我狻＿@時(shí)，即使一方區(qū)域上強(qiáng)度分布成為線狀而難以判別偏振光狀態(tài)，在另一方區(qū)域上也能夠準(zhǔn)確求出零點(diǎn)位置，因此所有偏振波狀態(tài)的判定不成問(wèn)題。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于即便這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，通過(guò)使用光子晶體能夠充分小型且以簡(jiǎn)單的加工實(shí)現(xiàn)。
(實(shí)施例4)權(quán)利要求1至權(quán)利要求7的偏振光分析裝置，通過(guò)組合起偏器陣列和波片陣列及受光元件陣列這三個(gè)平面器件來(lái)構(gòu)成，因此在起偏器和波片及受光元件之間光的多重反射可能造成問(wèn)題。作為回避該多重反射之影響的方法，圖23示出權(quán)利要求8的一個(gè)實(shí)施例。圖23中示出波片陣列2301、起偏器陣列2302及受光元件陣列2305的截面。該場(chǎng)合，波片陣列2301中溝槽圖案域2303每隔一定間隔形成，作為波片起作用的區(qū)域只是存在溝槽圖案的區(qū)域。無(wú)溝槽的其它區(qū)域只為多層膜，對(duì)光透明或不透明。同樣，在起偏器陣列基板2302上，形成起偏器圖案2304的也僅僅是一部分，其它區(qū)域?qū)馔该骰虿煌该?。將這樣的2個(gè)波片陣列和起偏器陣列與受光元件陣列組合，并對(duì)光入射方向傾斜配置。如圖所示，通過(guò)適當(dāng)選擇溝槽圖案的節(jié)距或2個(gè)陣列的間隔及插入角度，可顯著減少由起偏器陣列反射的光中在各面之間多重反射后由受光元件檢出的分量。
(實(shí)施例5)在圖24中示出有關(guān)減少權(quán)利要求8的波片陣列和起偏器陣列及受光元件陣列之間光多重反射之影響的方法的另一實(shí)施例。這是將可吸收光的基板2401和2402配置在波片陣列2403和起偏器陣列2404之間或波片陣列2404和受光元件陣列2405之間的結(jié)構(gòu)。將這些元件粘貼或通過(guò)在一個(gè)基板上成膜制作等方法來(lái)一體化的場(chǎng)合也同樣。在這種結(jié)構(gòu)中，光透射強(qiáng)度本身會(huì)變?nèi)?，但認(rèn)為通常入射光的強(qiáng)度比光檢出器的靈敏度充分強(qiáng)，因此實(shí)用上無(wú)問(wèn)題。在起偏器陣列2404或受光元件陣列2405等上反射的光，在傳播吸收層2401和2402內(nèi)的過(guò)程中被吸收而逐漸變?nèi)?，因此可充分減小再次反射而由檢出器檢出的分量。
(實(shí)施例6)作為權(quán)利要求9的實(shí)施例，圖25示出在波片陣列及起偏器陣列的各區(qū)域之間設(shè)置透明區(qū)域，測(cè)定入射光強(qiáng)度分布或波片陣列及起偏器陣列的損耗分布的結(jié)構(gòu)例。將波片陣列2501的各區(qū)域彼此分離地排列，同樣將起偏器陣列2502的各區(qū)域彼此分離地排列。預(yù)先設(shè)計(jì)無(wú)起偏器陣列或波片陣列的圖案的區(qū)域?qū)馔该?。?dāng)利用光子晶體時(shí)，圖示那樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也可通過(guò)一次的加工簡(jiǎn)單作成。將該波片陣列和起偏器陣列與受光元件陣列2503組合時(shí)，各受光元件可分成測(cè)定通過(guò)波片和起偏器兩個(gè)的光分量的區(qū)域2504；測(cè)定僅通過(guò)波片的光的區(qū)域2505；測(cè)定僅通過(guò)起偏器的光的區(qū)域2506；以及測(cè)定都不通過(guò)波片和起偏器的光(通過(guò)透明區(qū)域的光)的區(qū)域2507?？赏ㄟ^(guò)在區(qū)域2507測(cè)定的光強(qiáng)度分布得知入射光的強(qiáng)度分布信息。同樣可由在區(qū)域2505測(cè)定的強(qiáng)度分布評(píng)價(jià)波片陣列的損耗分布，由在區(qū)域2506測(cè)定的強(qiáng)度分布評(píng)價(jià)起偏器陣列的損耗分布。利用這些數(shù)據(jù)，可校正測(cè)定區(qū)域2504上測(cè)定的強(qiáng)度分布，可作高精度的偏振波分析。
(實(shí)施例7)作為權(quán)利要求9的第二實(shí)施例，圖26示出在波片陣列及起偏器陣列的周邊部設(shè)置透明區(qū)域的例。波片陣列基板2601中作為波片起作用的部分僅為中央附近周期圖案的某個(gè)區(qū)域，其它周邊區(qū)域?yàn)橥该鲄^(qū)域。同樣，在起偏器陣列基板2602中作為起偏器起作用的僅為中央附近，周邊部分成為透明區(qū)域。這樣復(fù)雜的圖案也可利用光子晶體技術(shù)簡(jiǎn)單形成。起偏器陣列及波片陣列分別成為長(zhǎng)方形形狀，當(dāng)重疊2個(gè)陣列時(shí)圖案的端邊不重疊，僅通過(guò)某一方的光也到達(dá)受光元件。在這種情況下，受光元件陣列2603的區(qū)域2604測(cè)定通過(guò)波片和起偏器兩方的光強(qiáng)度分布。區(qū)域2605接受僅通過(guò)波片的光，區(qū)域2606接受僅通過(guò)起偏器的光，區(qū)域2607測(cè)定通過(guò)起偏器和波片之一的光強(qiáng)度。由區(qū)域2605的測(cè)定結(jié)果得知波片陣列的損耗分布，從區(qū)域2606的測(cè)定得知起偏器陣列的損耗分布。另外，認(rèn)為入射光通常為高斯光束，因此由區(qū)域2607的測(cè)定結(jié)果也可評(píng)價(jià)入射光的光束分布。利用所獲得的損耗分布及入射光的強(qiáng)度分布，可作測(cè)定數(shù)據(jù)的高精度校正。
(實(shí)施例8)在本發(fā)明的偏振光分析裝置中所使用的波片陣列及起偏器陣列的各區(qū)域邊界附近，結(jié)構(gòu)上不能避免光的散射或衍射，因此光的像雜亂。為了去除這種陣列的邊界附近的光，并得到更加明確的強(qiáng)度分布圖案，圖27示出權(quán)利要求10的實(shí)施例。在波片陣列2701和起偏器陣列2702各區(qū)域的邊界部分配置了用黑線表示的遮光區(qū)域2703，入射到該部分的光不能到達(dá)受光元件?；蛘?，在受光元件陣列2704中來(lái)自波片陣列及起偏器陣列邊界部分的光入射的區(qū)域設(shè)置遮光區(qū)域2705，從而能夠去除散射光及衍射光。
(實(shí)施例9)作為權(quán)利要求11的實(shí)施例，圖28示出一例將本發(fā)明的偏振光分析裝置配置在4個(gè)平面內(nèi)，回避入射光束位置變動(dòng)造成的測(cè)定誤差的方法。本發(fā)明中通過(guò)利用光子晶體，能夠?qū)崿F(xiàn)充分小型的偏振光分析裝置，因此容易將多個(gè)偏振光分析裝置配置在小區(qū)域，或容易將多個(gè)偏振光分析裝置一體化而集成為一個(gè)裝置。在平面內(nèi)并列配置偏振光分析裝置2801到2804，從而在入射光束變動(dòng)的場(chǎng)合，光也會(huì)照射到4個(gè)中任意區(qū)域。通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)入射光束的光束直徑，不管光束照射到哪個(gè)位置，也能獲得由一臺(tái)本發(fā)明的偏振光分析裝置獲得的強(qiáng)度分布同等以上的信息。例如圖示那樣，光入射到4個(gè)偏振光分析裝置的中央?yún)^(qū)域2805時(shí)，由各區(qū)域各獲得1/4的強(qiáng)度分布信息，可通過(guò)合成這些信息進(jìn)行偏振光分析。若進(jìn)一步增加面內(nèi)配置的偏振光分析裝置的數(shù)量，則可應(yīng)對(duì)更大的光束變動(dòng)。
(實(shí)施例10)作為權(quán)利要求13的實(shí)施例，圖29示出組合本發(fā)明的偏振光分析裝置與激光源來(lái)實(shí)現(xiàn)的偏振光橢圓計(jì)。圖29僅為一例采用本發(fā)明的偏振光橢圓計(jì)，采用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)偏振光橢圓計(jì)的結(jié)構(gòu)也可考慮其它任一種。該圖中在配置組合波片陣列與起偏器陣列的受光元件2903和激光源2902的裝置中央，配置試料臺(tái)2906。來(lái)自激光器的出射光的偏振光狀態(tài)是預(yù)知的。在試料臺(tái)2906上設(shè)置想要測(cè)定的薄膜取樣2901，調(diào)整透鏡對(duì)2904，使激光會(huì)聚到取樣，同時(shí)使反射光成為平行光束而到達(dá)偏振光分析裝置2903。用偏振光分析裝置2903檢出來(lái)自取樣的反射光，并通過(guò)CPU2905從測(cè)定到的強(qiáng)度分布算出反射光的偏振光狀態(tài)。偏振光橢圓計(jì)中，一般將光的偏振光狀態(tài)用P波和S波的振幅強(qiáng)度比(Ψ)和相位差(Δ)表示。通常入射光采用45°的直線偏振光(Ψ＝1，Δ＝0)，測(cè)定這時(shí)反射光的Ψ’及Δ’。可由測(cè)定結(jié)果求出取樣中P波、S波的菲涅耳反射率(RP，RS)，即薄膜膜厚與折射率。
(實(shí)施例11)作為權(quán)利要求13的另一實(shí)施例，圖30示出采用本發(fā)明的偏振光分析裝置能夠?qū)崿F(xiàn)的簡(jiǎn)易型分光偏振光橢圓計(jì)。這時(shí)也與實(shí)施例10的偏振光橢圓計(jì)的場(chǎng)合同樣，在試料臺(tái)3004上放置試料基板3001，照射來(lái)自分別不同波長(zhǎng)的激光源組3002的光，并采用分別對(duì)應(yīng)各波長(zhǎng)的受光頭組3003檢出各波長(zhǎng)的反射光。由CPU3005分析各受光頭檢出的偏振光狀態(tài)，但通過(guò)利用多個(gè)波長(zhǎng)可更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)試料的膜厚、膜質(zhì)。
若用傳統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)這種分光偏振光橢圓計(jì)，則需要設(shè)置多個(gè)高精度的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)或驅(qū)動(dòng)部分，具有不僅裝置成為大型而且測(cè)定時(shí)間變長(zhǎng)的缺點(diǎn)。與之相比，本發(fā)明中能夠通過(guò)利用光子晶體實(shí)現(xiàn)小型偏振光分析裝置，不僅容易將多個(gè)光學(xué)系統(tǒng)收容到一個(gè)裝置內(nèi)，由于無(wú)驅(qū)動(dòng)部分而能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠性的器件。另外，可由受光元件陣列獲得的結(jié)果瞬間判別偏振光狀態(tài)，可使測(cè)定時(shí)間非常短。
(實(shí)施例12)作為權(quán)利要求14及權(quán)利要求15的實(shí)施例，圖31示出一例蒸鍍或?yàn)R鍍等薄膜形成加工中的膜厚/膜質(zhì)監(jiān)測(cè)器?？紤]真空容器3106內(nèi)放置基板3101，通過(guò)對(duì)控制電路3105進(jìn)行控制使物質(zhì)源3107成膜到基板上的加工裝置。如圖所示，在該成膜裝置的容器內(nèi)設(shè)置激光源3102及本發(fā)明的偏振波分析裝置的受光頭3103，將激光向基板照射，由受光部頭檢出來(lái)自基板的反射光。圖中將小型激光源設(shè)置于容器內(nèi)，也可將光源配置在容器外部，利用偏振波保持型的光纖等，將光導(dǎo)入容器內(nèi)。CPU3104中分析來(lái)自受光頭的信號(hào)，可由光強(qiáng)度分布實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成膜過(guò)程中薄膜的膜厚與折射率。另外，將監(jiān)測(cè)到的膜厚或膜質(zhì)的信息反饋到裝置，通過(guò)控制成膜條件，可進(jìn)行嚴(yán)密的成膜管理。
這種在薄膜形成加工中實(shí)時(shí)的膜厚/膜質(zhì)監(jiān)測(cè)器，對(duì)高精度的膜厚、膜質(zhì)管理極為有用，是以往沒(méi)有的技術(shù)。傳統(tǒng)的偏振光橢圓計(jì)為大型裝置，在加工裝置中幾乎不能實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)膜厚/膜質(zhì)。另外，存在例如水晶振子那樣的膜厚監(jiān)測(cè)器，但不能監(jiān)測(cè)包括折射率在內(nèi)的膜質(zhì)。通過(guò)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)偏振光橢圓計(jì)的超小型化或高可靠性，因此作為真空加工的膜厚/膜質(zhì)監(jiān)測(cè)器，能夠容易導(dǎo)入到裝置內(nèi)部。另外，如已說(shuō)明的那樣，本發(fā)明不需要光強(qiáng)度絕對(duì)值的信息，而僅用相對(duì)強(qiáng)度分布能夠判別膜厚/膜質(zhì)。因而，能夠不受成膜物質(zhì)附著到窗等導(dǎo)致光強(qiáng)度變動(dòng)的影響地進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
在通常的真空加工裝置中，為形成均勻的膜，一般，一邊使基板支持器自轉(zhuǎn)或公轉(zhuǎn)(或兩方)一邊進(jìn)行成膜。以往對(duì)這種經(jīng)常移動(dòng)的基板的膜厚或膜質(zhì)的監(jiān)測(cè)非常困難。在這種情況下，通過(guò)利用本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)充分高速的膜厚/膜質(zhì)測(cè)定，例如通過(guò)使基板支持器的旋轉(zhuǎn)周期與測(cè)定的取樣周期一致等的方法，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)膜厚/膜質(zhì)。若對(duì)取樣周期下工夫，則在一次對(duì)多個(gè)基板成膜的場(chǎng)合，也能按每個(gè)基板監(jiān)測(cè)膜厚/膜質(zhì)。另外，在基板支持器有晃動(dòng)且光的入射位置有變動(dòng)時(shí)，也能通過(guò)擴(kuò)大入射光的光束直徑，或采用如權(quán)利要求9及實(shí)施例6和實(shí)施例7所示的強(qiáng)度分布校正方法或權(quán)利要求11及實(shí)施例9所示的應(yīng)對(duì)光束位置變動(dòng)的方法來(lái)回避測(cè)量誤差。
(實(shí)施例13)作為權(quán)利要求16的實(shí)施例，圖32示出對(duì)加工裝置內(nèi)部導(dǎo)入多個(gè)偏振光橢圓計(jì)的結(jié)構(gòu)。本例中，從加工裝置外部的激光源3202，利用光纖3208將激光導(dǎo)入真空容器3206內(nèi)。光纖分支為多個(gè)，從光纖端出射的光在各基板3201上的不同位置反射，由本發(fā)明的偏振光分析裝置組3203分別檢出。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，不僅可監(jiān)測(cè)成膜過(guò)程中的膜厚/膜質(zhì)，而且也能實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)基板上不同部位的膜厚/膜質(zhì)的分布。將CPU3204算出的分布信息反饋給裝置的成膜控制裝置3205，只要能控制膜的組分或成膜速率的分布，就可形成更加均勻的膜。
對(duì)可由本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的加工中膜的均一化方法進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。圖33是對(duì)側(cè)濺鍍裝置安裝多個(gè)膜厚控制裝置的例。靶材3301縱向配置，在旋轉(zhuǎn)式鼓輪3302周?chē)惭b基板。通常，膜厚及膜質(zhì)在基板的旋轉(zhuǎn)方向上均勻，但縱向不均勻且越往外圍膜厚就越小。因此，為擴(kuò)大縱向的均勻區(qū)域，提出了在靶材周?chē)渲眯Ｕ?303而控制等離子體密度的方法。一直以來(lái)，為了提高膜的均一性，不得不采用脫線方式測(cè)定成膜后的膜厚分布，并調(diào)整遮蔽板的形狀及安裝位置重復(fù)給出條件的復(fù)雜的方法，因此非常難將分布均一化到1～2％或其以下。與此相比，采用本發(fā)明的偏振光橢圓計(jì)3304的場(chǎng)合，由實(shí)時(shí)的測(cè)定結(jié)果，將CPU3305的計(jì)算獲得的膜厚/膜質(zhì)的分布信息，反饋到成膜控制裝置3306，控制施加到靶材的電力及遮蔽板的開(kāi)度，從而能夠通過(guò)在線方式調(diào)整膜厚分布一定。
圖34示出有關(guān)濺鍍裝置中膜的均一化的另一例?？紤]在靶材3401周?chē)渲枚鄠€(gè)氣體導(dǎo)入口3402，分別設(shè)有控制氣流量的質(zhì)量流控制器3403的濺鍍裝置。在這種濺鍍裝置中，通過(guò)控制供給靶材周?chē)臍饬髁?，可局部控制等離子體密度。一般成膜的膜質(zhì)及成膜速率與等離子體密度相關(guān)，因此通過(guò)控制各位置中的等離子體密度，可控制各位置上的膜厚/膜質(zhì)。只要能利用本發(fā)明的偏振光橢圓計(jì)3404，并實(shí)時(shí)地將由CPU3405獲得的膜厚/膜質(zhì)的信息反饋到控制電路3406，并以在線方式控制裝置內(nèi)等離子體密度，就可作到均勻且均質(zhì)的成膜。
圖35示出有關(guān)利用濺鍍裝置的成膜控制的方法的第三例。在磁控管濺鍍裝置的陰極3501內(nèi)部，配置永久磁鐵3502和電磁鐵3503兩個(gè)。在這種裝置中，能夠通過(guò)控制流過(guò)電磁鐵的電流，控制全體等離子體的密度。將利用本發(fā)明的偏振光橢圓計(jì)3504及CPU3505進(jìn)行監(jiān)測(cè)的分布信息反饋到控制電路3506并進(jìn)行電磁鐵的控制，從而能夠?qū)崟r(shí)控制等離子體密度，因此可在線方式控制膜厚/膜質(zhì)。
最后在圖36示出一例真空蒸鍍裝置中的膜均一化方法。考慮可在容器內(nèi)配置多個(gè)蒸鍍?cè)?602的多源蒸鍍裝置。在這種裝置中，通過(guò)控制加到各蒸鍍?cè)吹碾娏ε浞郑軌蚩刂颇ず窦澳べ|(zhì)的分布。利用本發(fā)明的偏振光橢圓計(jì)3603，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基板3601各位置上的膜厚/膜質(zhì)，并將CPU3604算出的分布信息反饋到成膜控制裝置3605。如果根據(jù)經(jīng)測(cè)定獲得的分布信息控制加到各蒸鍍?cè)吹碾娏α浚涂勺鞒删鶆蚯揖|(zhì)的膜。
(實(shí)施例14)利用本發(fā)明中使用的波片陣列及起偏器陣列的新方法的偏振光分析裝置，具有無(wú)驅(qū)動(dòng)部而可靠性高，且與傳統(tǒng)裝置相比可顯著縮短測(cè)定時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。另外，利用光子晶體，不僅可實(shí)現(xiàn)充分小型的器件，而且可在各陣列的主軸方向上進(jìn)行非常高精度的控制。但是，對(duì)于波片陣列的相位差(滯后)，即使進(jìn)行詳細(xì)的加工控制，也難以作到與理想值即1/4波長(zhǎng)(π/2弧度)嚴(yán)格一致。若考慮光子晶體的結(jié)構(gòu)及作成方法，則在加工上沒(méi)有分布時(shí)，波片陣列的各波片區(qū)域的相位差在與設(shè)計(jì)值有偏差的場(chǎng)合也預(yù)測(cè)到在全區(qū)域上成為一定值。
作為校正這種波片陣列的相位差偏移的方法，圖37示出權(quán)利要求21的第一實(shí)施例。這是由對(duì)偏振光分析裝置入射某一特定偏振波狀態(tài)的光時(shí)觀測(cè)到的強(qiáng)度分布信息求出波片的相位差，校正其偏移的方法。作為一例，考慮采用格蘭-湯姆森棱鏡等消光比高的起偏器3701，向偏振光分析裝置3702入射直線偏振光的場(chǎng)合。(此時(shí)偏振波的傾斜角度為任意)這時(shí)，示出偏振光分析裝置內(nèi)波片陣列的相位差分別為70°、90°及110°時(shí)觀測(cè)到的光強(qiáng)度分布。如上所述，直線偏振光入射時(shí)的強(qiáng)度分布圖案為“船底形”形狀，由圖可知船底的橢圓形狀(橢圓率)隨波片陣列的相位差而變化。因而，通過(guò)分析偏振光分析裝置上入射直線偏振波的光時(shí)所獲得的強(qiáng)度分布圖案的形狀，可準(zhǔn)確評(píng)價(jià)波片陣列的相位差偏移。這里，作為分析直線偏振光入射時(shí)觀測(cè)到的圖案的方法，可采用已述的等高線分析法或傅里葉分析法。
(實(shí)施例15)作為校正波片陣列的相位差偏移的方法，圖38示出權(quán)利要求21的第二實(shí)施例。向偏振光分析裝置3801入射任意偏振光狀態(tài)的光，并通過(guò)CPU3802對(duì)觀測(cè)到的光強(qiáng)度分布進(jìn)行傅里葉變換。這時(shí)經(jīng)傅里葉變換獲得的各頻率成分如上所述，由式8表示。將各頻率分量置于X、Y、Z的場(chǎng)合，波片陣列的各波片區(qū)域的相位差(α)可由下式求出。
或 (式11)即，采用傅里葉變換分析強(qiáng)度分布形狀時(shí)，由經(jīng)傅里葉變換求得的各頻率分量的值，如上所述，不僅可求出入射光的橢圓率(ε)及偏振波的斜率(γ)，而且也能同時(shí)求出波片的相位差(α)值。
如上所述，在本發(fā)明的偏振光分析方法中，只要波片陣列的相位差在陣列的全區(qū)域一定(均勻)，相位差大小就不會(huì)成問(wèn)題。不管相位差值取何值(除α＝0°的場(chǎng)合)，通過(guò)分析測(cè)定到的強(qiáng)度分布圖案，都能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)相位差的偏移，能夠求出正確的入射偏振光的值。這與以往采用單一波片或起偏器的偏振光橢圓計(jì)相比非常有效。例如，在傳統(tǒng)的偏振光橢圓計(jì)中采用的消光法，當(dāng)所使用波片的相位差從1/4波長(zhǎng)稍微偏移時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)起偏器或波片時(shí)消光點(diǎn)從本來(lái)位置偏離，不能作準(zhǔn)確的偏振波分析。
(實(shí)施例16)本發(fā)明中使用的偏振光分析裝置的波片陣列及起偏器陣列，將不同區(qū)域排列多個(gè)，各區(qū)域的邊界部分并不連續(xù)，發(fā)生光的散射或衍射。散射光及衍射光在信號(hào)處理上呈顯為噪聲，成為劣化偏振光分析精度的要因。因此，為了實(shí)現(xiàn)高精度的裝置，存在如權(quán)利要求10所示，在偏振光分析裝置中使用的波片陣列或起偏器陣列或受光元件陣列配置遮光區(qū)域，以不接受散射光或衍射光的方法，但作為不采用這種遮光結(jié)構(gòu)而消除散射光或衍射光之影響的方法，圖16示出如權(quán)利要求22所示的信號(hào)處理方法的實(shí)施例。
通過(guò)波片陣列1601及起偏器陣列1602的光入射到受光元件陣列1603。作為受光元件陣列，假設(shè)采用一般的CCD，則單個(gè)受光元件的尺寸為數(shù)μm程度，這與波片陣列及起偏器陣列的各區(qū)域尺寸相比充分小。因而，在接受通過(guò)經(jīng)交叉波片陣列和起偏器陣列作成的各區(qū)域的光的受光元件區(qū)域上，分別存在多個(gè)受光元件。在這些受光元件輸出的電信號(hào)中，不采用從接受包含來(lái)自波片陣列及起偏器陣列的邊界部分的散射光或衍射光的光的區(qū)域1604輸出的信號(hào)，而通過(guò)僅對(duì)從接受無(wú)散射光或衍射光之影響的光的區(qū)域1605輸出的信號(hào)進(jìn)行合計(jì)或平均來(lái)求出各區(qū)域的光強(qiáng)度，這樣就能實(shí)現(xiàn)高精度的偏振光分析。圖中，不使用信號(hào)的區(qū)域1604在各區(qū)域上下占一列受光元件的量，但區(qū)域的占取方法或尺寸為任意，可隨偏振光分析裝置的結(jié)構(gòu)而改變。這種信號(hào)處理方法可用CPU非常簡(jiǎn)單且高速計(jì)算，因此是對(duì)偏振光測(cè)定精度的改善非常有效的方法。
工業(yè)上的利用可能性通過(guò)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的偏振光分析裝置及利用該偏振光分析裝置的偏振光橢圓計(jì)，無(wú)驅(qū)動(dòng)部且小型，并且可高精度且高速分析入射光的偏振光狀態(tài)。通過(guò)利用光子晶體來(lái)削減構(gòu)成元件，不僅使位置調(diào)整容易，而且可通過(guò)圖案分析來(lái)校正波片陣列的相位差偏移，因此可實(shí)現(xiàn)制造性非常高且低價(jià)的裝置。
因而，可通過(guò)在1臺(tái)薄膜制造裝置上設(shè)置多個(gè)偏振光橢圓計(jì)后以在線方式測(cè)定以往利用高價(jià)的大型裝置以脫線方式測(cè)定的試料的膜厚或膜質(zhì)。如此本發(fā)明的偏振光分析裝置或偏振光橢圓計(jì)適合用于薄膜制造的控制或品質(zhì)管理，可置換傳統(tǒng)方法。
權(quán)利要求
1.一種偏振光分析裝置，其特征在于包括設(shè)有帶給透射光的相位差一樣且光軸方向不同的多個(gè)區(qū)域的波片陣列；以及設(shè)有透過(guò)的偏振波方向不同的多個(gè)區(qū)域的起偏器陣列，所述波片陣列和所述起偏器陣列分別重疊地配置，并配置了可個(gè)別接受通過(guò)所述波片的特定區(qū)域和與該特定區(qū)域重疊的所述起偏器區(qū)域的光的受光元件陣列。
2.一種偏振光分析裝置，其特征在于包括設(shè)有帶給透射光的相位差一樣且光軸方向各自不同的至少2個(gè)以上條狀區(qū)域的波片陣列；以及設(shè)有透過(guò)的偏振波方向不同的至少2個(gè)以上條狀區(qū)域的起偏器陣列，所述波片陣列和所述起偏器陣列使所述條紋互相交叉地配置，并配置了可個(gè)別地接受通過(guò)各交叉區(qū)域的光的受光元件陣列。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的偏振光分析裝置，其特征在于所述波片陣列及所述起偏器陣列由電介質(zhì)多層膜構(gòu)成，該電介質(zhì)多層膜在層疊方向上層的形狀具有周期性，且在各層的形狀在按每個(gè)區(qū)域確定的面內(nèi)一個(gè)方向具有重復(fù)的周期性凹凸形狀。
4.一種偏振光分析裝置，其特征在于包括設(shè)有光軸方向一樣且透射光的相位差不同的多個(gè)區(qū)域的波片陣列；以及設(shè)有透過(guò)的偏振波方向不同的多個(gè)區(qū)域的起偏器陣列，所述波片陣列和所述起偏器陣列彼此重疊地配置，并配置了可個(gè)別地接受通過(guò)所述波片的特定區(qū)域和與該特定區(qū)域重疊的所述起偏器區(qū)域的光的受光元件陣列。
5.一種偏振光分析裝置，其特征在于包括設(shè)有光軸方向一樣且透射光的相位差不同的至少2個(gè)以上條狀區(qū)域的波片陣列，以及設(shè)有透過(guò)的偏振波方向不同的至少2個(gè)以上條狀區(qū)域的起偏器陣列，所述波片陣列和所述起偏器陣列使所述條紋互相交叉地配置，并配置了可個(gè)別地接受通過(guò)各交叉區(qū)域的光的受光元件陣列。
6.如權(quán)利要求4或權(quán)利要求5所述的偏振光分析裝置，其特征在于所述波片陣列由在層疊方向上形狀具有周期性，且具有按每個(gè)區(qū)域確定的重復(fù)周期并在共同的一個(gè)方向上具有周期性凹凸形狀的電介質(zhì)多層膜構(gòu)成，所述起偏器陣列由在層疊方向上形狀具有周期性，且各層形狀在按每個(gè)區(qū)域確定的面內(nèi)一個(gè)方向具有重復(fù)的周期性凹凸形狀的電介質(zhì)多層膜構(gòu)成。
7.一種偏振光分析裝置，其特征在于同時(shí)具備權(quán)利要求1至權(quán)利要求3中任一項(xiàng)所述的偏振光分析裝置和權(quán)利要求4至權(quán)利要求6中任一項(xiàng)所述的偏振光分析裝置，使測(cè)量的光束入射到各偏振光分析裝置。
8.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求7中任一項(xiàng)所述的偏振光分析裝置，其特征在于在所述波片陣列和所述起偏器陣列之間或所述起偏器陣列與所述受光元件陣列之間的一方或兩方設(shè)置光吸收性的層，或者在所述波片陣列、所述起偏器陣列及所述受光元件陣列的至少1個(gè)上，通過(guò)在所述陣列各區(qū)域的邊界上形成透明區(qū)域或不透明區(qū)域，使不需要的多重反射光衰減。
9.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求8中任一項(xiàng)所述的偏振光分析裝置，其特征在于在所述波片陣列及所述起偏器陣列的周邊區(qū)域設(shè)置對(duì)入射偏振光各向同性的透明區(qū)域，或者在所述波片陣列和所述起偏器陣列各區(qū)域的邊界部分之一部分設(shè)置對(duì)入射偏振光各向同性的透明區(qū)域，從而測(cè)量通過(guò)各波片區(qū)域及各起偏器區(qū)域的光強(qiáng)度分布的同時(shí)，測(cè)量入射光的強(qiáng)度分布及所述波片陣列和所述起偏器陣列的透射損耗分布，以校正測(cè)定結(jié)果。
10.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求9中任一項(xiàng)所述的偏振光分析裝置，其特征在于在所述波片陣列及所述起偏器陣列各區(qū)域的邊界部分設(shè)置遮光部分，或者將與所述波片陣列和所述起偏器陣列各區(qū)域的邊界部分對(duì)應(yīng)的受光元件陣列的區(qū)域遮光，從而抑制前期在邊界部分中光的衍射或散射的影響。
11.一種偏振光分析裝置，其特征在于通過(guò)將權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的偏振光分析裝置在平面內(nèi)配置多個(gè)，回避由入射光束位置變動(dòng)造成的測(cè)定誤差。
12.一種光測(cè)量裝置或光測(cè)量方式，其特征在于采用權(quán)利要求1至權(quán)利要求11中任一項(xiàng)所述的偏振光分析裝置。
13.一種偏振光橢圓計(jì)，其特征在于使偏振光以預(yù)定角度入射測(cè)定試料，將來(lái)自測(cè)定試料的反射光導(dǎo)入權(quán)利要求1至權(quán)利要求11中任一項(xiàng)所述的偏振光分析裝置，由受光元件陣列獲得的光強(qiáng)度分布，求出P偏振光分量及S偏振光分量的振幅反射率比。
14.一種偏振光橢圓計(jì)，其特征在于在真空薄膜形成裝置中，使偏振光以預(yù)定角度入射薄膜淀積中的基板表面，將來(lái)自基板表面的反射光導(dǎo)入權(quán)利要求1至權(quán)利要求11中任一項(xiàng)所述的偏振光分析裝置，由受光元件陣列獲得的光強(qiáng)度分布求出P偏振光分量及S偏振光分量的振幅反射率比。
15.一種膜厚及膜質(zhì)控制裝置，其特征在于將由權(quán)利要求13或權(quán)利要求14所述的偏振光橢圓計(jì)獲得的膜厚及膜質(zhì)信息，反饋到成膜速度或成膜時(shí)間的控制裝置。
16.一種膜厚及膜質(zhì)控制裝置，其特征在于設(shè)有至少2個(gè)以上權(quán)利要求13或權(quán)利要求14所述的偏振光橢圓計(jì)，將基板不同位置的膜厚及膜質(zhì)按每個(gè)部位測(cè)量而獲得的信息，反饋到膜厚及膜質(zhì)分布校正控制裝置。
17.一種偏振光分析方法或偏振光分析系統(tǒng)，其特征在于設(shè)有相位差一定且光軸方向不同的多個(gè)區(qū)域的波片陣列，以及設(shè)有透過(guò)的偏振波方向不同的多個(gè)區(qū)域的起偏器陣列，使所述波片陣列在前面、所述起偏器陣列在后面地重疊配置，并將可個(gè)別接受通過(guò)波片某個(gè)區(qū)域和與該區(qū)域重疊的起偏器區(qū)域的光的受光元件陣列二維配置，在這樣的偏振光分析裝置中，利用通過(guò)所述受光元件陣列觀測(cè)到的二維強(qiáng)度分布圖案僅由DC分量和最多三個(gè)頻率分量表示的特征，求出入射光的偏振光狀態(tài)。
18.如權(quán)利要求17所述的偏振光分析方法或偏振光分析系統(tǒng)，其特征在于利用由所述受光元件陣列觀測(cè)到的強(qiáng)度分布圖案的最大點(diǎn)或最小點(diǎn)附近的圖案形狀特征，將取樣值擬合或插補(bǔ)，算出帶來(lái)橢圓對(duì)稱(chēng)的消光點(diǎn)或光量最小點(diǎn)的波片及起偏器的方位，并求出入射光的偏振光狀態(tài)。
19.如權(quán)利要求17所述的偏振光分析方法或偏振光分析系統(tǒng)，其特征在于通過(guò)對(duì)所述受光元件陣列測(cè)定到的強(qiáng)度分布圖案進(jìn)行傅里葉變換，求出入射光的偏振光狀態(tài)。
20.一種偏振光分析方法或偏振光分析系統(tǒng)，其特征在于并用權(quán)利要求18所述的偏振光分析方法和權(quán)利要求19所述的偏振光分析方法，求出入射光的偏振光狀態(tài)。
21.如權(quán)利要求17至權(quán)利要求20中任一項(xiàng)所述的偏振光分析方法或偏振光分析系統(tǒng)，其特征在于通過(guò)分析所述受光元件陣列觀測(cè)到的強(qiáng)度分布圖案的形狀，檢出所述偏振光分析裝置中使用的所述波片陣列相位差的值，校正所述波片陣列作成時(shí)相位差的誤差。
22.一種信號(hào)處理方法，其特征在于在權(quán)利要求17至權(quán)利要求21中任一項(xiàng)所述的偏振光分析方法或偏振光分析系統(tǒng)中，除去來(lái)自所述波片陣列或起偏器陣列各區(qū)域的邊界部分的散射光及衍射光的影響，因此從所述受光元件陣列輸出的信號(hào)中，去除來(lái)自接受所述散射光及衍射光的受光元件區(qū)域的信號(hào)。
全文摘要
提供無(wú)驅(qū)動(dòng)部、小型且高速的偏振光分析裝置及偏振光橢圓計(jì)，其中，將光軸方向互相不同的多個(gè)起偏器區(qū)域條狀配置的一個(gè)起偏器陣列和將滯后一定且光軸方向互相不同的多個(gè)波片區(qū)域條狀配置的一個(gè)波片陣列，使條紋互相交叉地重疊，并配置受光元件陣列，能以個(gè)別地個(gè)別地測(cè)量通過(guò)矩陣狀交叉部分的光強(qiáng)度。作為本偏振光分析裝置的受光元件陣列觀測(cè)的二維強(qiáng)度分布圖案的分析方法，采用將圖案形狀數(shù)學(xué)擬合或進(jìn)行與數(shù)據(jù)庫(kù)的匹配來(lái)求入射偏振波的方法；或者對(duì)圖案形狀作傅里葉變換，由頻率分量求入射偏振波的方法之一方或兩方的算法。另外根據(jù)需要，采用除去來(lái)自接受不需要的散射光或衍射光的受光元件區(qū)域的信號(hào)的信號(hào)處理方法，可作更高精度的偏振波分析。
文檔編號(hào)G01B11/06GK1930462SQ20048003356
公開(kāi)日2007年3月14日 申請(qǐng)日期2004年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月17日
發(fā)明者川上彰二郎, 佐藤尚, 橋本直樹(shù), 佐佐木良裕 申請(qǐng)人:株式會(huì)社光學(xué)格子, 獨(dú)立行政法人科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)