偏振光分析装置及偏振光分析方法

摘要

提供无驱动部、小型且高速的偏振光分析装置及偏振光椭圆计，其中，将光轴方向互相不同的多个起偏器区域条状配置的一个起偏器阵列和将滞后一定且光轴方向互相不同的多个波片区域条状配置的一个波片阵列，使条纹互相交叉地重叠，并配置受光元件阵列，能以个别地个别地测量通过矩阵状交叉部分的光强度。作为本偏振光分析装置的受光元件阵列观测的二维强度分布图案的分析方法，采用将图案形状数学拟合或进行与数据库的匹配来求入射偏振波的方法；或者对图案形状作傅里叶变换，由频率分量求入射偏振波的方法之一方或两方的算法。另外根据需要，采用除去来自接受不需要的散射光或衍射光的受光元件区域的信号的信号处理方法，可作更高精度的偏振波分析。

说明书

技术领域

本发明涉及光的偏振光分析装置及利用该偏振光分析装置测定薄膜的光学常数和厚度的偏振光椭圆计。

背景技术

作为分析薄膜的膜质或膜厚的典型方法，可举出以往众所周知的方法即偏振光分析测定法。偏振光分析测定法指的是对薄膜试料入射特定偏振光状态的光，通过测定从试料反射的光中电场与入射面平行的分量(p偏振波)的反射率R_p和电场与入射面垂直的分量(s偏振波)的反射率R_s之比ρ，求出试料膜厚或折射率的方法。这里，一般ρ为复数，可表示成ρ＝R_p/R_s＝tan(Ψ)×exp(jΔ)。Ψ和Δ是表示测定光(反射光)的偏振光状态的参数，称为椭圆对称角。该ρ为由薄膜试料的光学常数(n)及厚度(d)确定的值，因此只要能用偏振光椭圆计求出反射光的偏振光状态(Ψ，Δ)，就可反向算出试料的光学常数和膜厚。

偏振光椭圆计中，作为进行来自试料的反射光的偏振光分析求出Ψ和Δ的方法，可采用应用物理指南(应用物理学会编，1990年，丸善，pp.20-22)等文献中公示的消光法或旋转检偏器法等。消光法中，使来自试料的反射光(一般为椭圆偏振波)依次通过1/4波片、起偏器，由受光器接受，将1/4波片与起偏器分别独立地旋转，读出光强度最小的旋转角度，从而求出Ψ和Δ。但是，该方法中用两个变量找出最小值，因此存在即便只进行一次测定也花较长时间的缺点。而旋转检偏器法是不使用1/4波片而只用检偏器进行偏振光分析的方法。旋转检偏器法中测定将起偏器旋转一周时的受光强度的变化，若以角度的函数得到受光强度，则可通过计算求出Ψ和Δ，但存在不易区别相位差Δ和(2π-Δ)，即难以区别是右旋椭圆偏振波还是左旋椭圆偏振波的不良情况。为了避免这种情况，需要插拔1/4波片等来对1点测量进行2次以上的测定，因此与测定变得复杂且测量所需的时间极大，这与之前的消光法相比几乎没有改变。

近年，随着半导体技术的显著进步，在进行各种器件的高性能化及小型化的过程中，CVD或溅镀等薄膜加工中要求的精度非常严格，例如，要求以0.1nm的精度制作数nm厚度的膜。现在，为了实现这种高精度的成膜(或成膜装置)，热切希望可以在线方式测量加工过程中试料膜厚及膜质的高精度膜厚/膜质监测器。虽然偏振光分析测定法可高精度测定薄膜的膜厚、膜质而适于这种成膜监测器的方式，但传统的偏振光椭圆计采用上述那样复杂的测定方法，因此一般测定速度慢，另外，由于该装置大型且非常昂贵，难以导入加工装置。

作为无驱动部的偏振光分析装置，提出将测定的光束分支为4束后，分别通过起偏器或波片和起偏器，通过测量4束不同偏振光分量的光强度分析偏振波状态的方法(日本特开平5-113371号公报)。这种偏振光测定装置简便且适合高速的偏振光分析，其测定原理介绍于结晶光学(应用物理学会光学座谈会编，1990年，森北出版，pp.139-140)等文献，是众所周知的。但是，要实现这种偏振光分析装置，需要分束器、偏振光分束器及1/4波片或起偏器，另外还需要称为受光元件的众多光学元件，难以达成装置小型化。由于非常难作到各部品的高精度装配，结果导致测定精度较差，因此不适合要求高精度测定薄膜的光学常数或厚度的偏振光椭圆计。

如上所述，迄今尚未提出适合偏振光分析测定的高速且小型而无驱动部的偏振光分析装置，以及采用该装置对入射光的偏振光状态进行高精度分析的方法。

发明的公开

本发明提供通过组合具有光轴方向互相不同的多个区域的起偏器阵列、具有光轴方向或滞后(相位差)互相不同的多个区域的波片阵列及受光元件阵列来构成的无驱动部的偏振光分析装置或偏振光椭圆计，以及采用它们的偏振光分析方法。作为起偏器阵列及波片阵列，可通过采用由称为光子晶体(photonic crystal)的多维周期结构构成的人工光学材料，实现充分小型且可靠性高的装置。

首先，就由光子晶体构成的起偏器及波片进行说明。如图1那样在形成周期性沟槽列的透明材料基板101上，使透明且高折射率的媒质102和低折射率的媒质103一边保存界面形状，一边交互层叠。各层在x方向具有周期性，但在y方向上可同样，也可具有比x轴方向大的周期性或非周期性结构。这种精细的周期结构(光子晶体)可通过采用称为自凸面加工技术的方式(日本特开平10-335758号公报)，高再现性且高均匀性地制作。这样作成的周期结构体上从相对xy面垂直或倾斜方向入射无偏振光或椭圆偏振光，则对于沟槽列平行的偏振波即y偏振波和与之正交的x偏振波，在周期结构体内部分别产生TE模和TM模的光。TE模和TM模的传播常数可根据构成周期结构的材料折射率、xy面的周期、层叠周期，在广范围内选择。

图2是一例作为高折射率材料采用Si、作为低折射率材料采用SiO₂时的二维周期结构的色散曲线。纵轴是将波长λ的倒数用层叠周期L_z标准化后的值，横轴是将传播一周期时的相位变化量k_zL_z(k_z是z方向的传播常数)用π标准化后的值。白圆表示TE波、黑圆表示TM波。L_x表示面内方向的周期，这里设L_z/L_x＝1。若入射光的频率在带隙中间，则不能以该模式在周期结构体中传播，入射光反射或衍射。另一方面，若光频率在能带内，则光可透过周期结构体中。在频率区域201中，TE波成为带隙而反射，TM波因在传播区而透过，因而可作为偏振光分离元件(日本特开2001-83321号公报)工作。在频率区域202中，作为TE波透过且TM波反射的起偏器工作。另一方面，在频率区域203中，TE波和TM波均处于传播区而透过。但在这时两个曲线错开，因此各传播常数不同，作为对两个模式带来相位差的波片工作。通过适当设计用于基板的图案或成膜的材料及层叠周期或层叠数，可设计出提供任意相位差的波片，例如使相位差成为π/2，就可作为1/4波片工作。另外，由于能够在一块基板内的每个区域独立改变沟槽的周期或方向，可按每个区域改变光子晶体的特性。将它称为多重图案光子晶体。例如，若为起偏器则可按每个区域改变光轴方向，另外，波片的场合可改变光轴方向或相位差。

作为构成光子晶体的低折射率媒质，最常用的材料以SiO₂为主成分，其透明波长区域广且化学性、热性、机械性也稳定，成膜也容易进行。另外，作为低折射率媒质可采用其它光学玻璃，例如MgF₂那样折射率更低的材料。作为高折射率材料，可采用Si、Ge等半导体或Ta₂O₅、TiO₂、Nb₂O₅、HfO₂、Si₃N₄等氧化物或氮化物。由于半导体材料的折射率较大，具有能够得到较大带隙的优点，但利用波长区限定为近红外。另一方面，氧化物或氮化物的透明波长范围较广，因此也可在可见光区域使用。

用自凸面加工法制作光子晶体起偏器或波片时，首先通过电子束蚀刻和干蚀刻在基板上制作在前如图1所示基板101那样的周期性沟槽。沟槽图案的形成可采用其它光蚀刻或干涉曝光、金属模的冲压技术。另外，图中沟槽的截面形状为矩形，但可为三角形等其它形状。基板可使用Si或石英玻璃、其它光学玻璃等。凹凸的节距为入射光波长的一半左右，例如0.8μm的光时约为0.4μm，沟槽的深度约为0.2μm。在该基板上，使用Ta₂O₅和SiO₂等靶材，组合溅射淀积和偏置溅镀交互层叠多层膜。这时，在各层的x轴方向保存周期性凹凸形状地适当设定偏置条件是重要的。条件之一例如下：在Ta₂O₅层的成膜中，气压为2mTorr、靶材施加高频功率为300W，在SiO₂层的成膜中，气压为6mTorr、靶材施加高频功率为300W，溅镀在SiO₂层成膜后进行，气压为2mTorr、基板施加高频功率为90W。

接着，就本发明的偏振光分析装置进行说明。图3示出采用波片阵列及起偏器阵列的无驱动部的偏振光分析装置的代表例。波片阵列301将光轴方向不同的多个区域排M列，经设计使各区域的滞后量一定(理想为1/4波片)。另外，起偏器阵列302将透射光的偏振光方向不同的多个区域排N列，经设计使各区域的偏振波消光比充分高。使这样的波片阵列与起偏器阵列互相正交地粘贴，在其后方配置可个别接受通过重叠波片阵列和起偏器阵列而作成的M×N个区域的光的受光元件阵列303，从而能够实现偏振光分析装置。作为起偏器阵列及波片阵列，可使用上述光子晶体起偏器，由此可进行装置的小型化、高精度化。

当光入射到上述那样的偏振光分析装置时，入射光通过波片阵列按各区域变换偏振波状态后，只有由起偏器阵列各区域的轴方向确定的特定偏振波分量才透过。因而，受光元件阵列的各个受光元件检出透过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强度。因此，通过分析各受光元件检出的光强度，可以二维方式把握入射光的偏振光状态。例如，在上述那样的偏振光分析装置中，将波片阵列的相位差设为π/2(1/4波长)，波片阵列及起偏器阵列的分割数设为16时，在图4示出一例256元件的检出器阵列感光强度分布的模拟结果。这里示出使1/4波片阵列各区域的主轴角度从0°到180°为止每12°变化并纵轴方向排列，起偏器阵列各区域的主轴角度(透过的偏振波角度)也同样，从0°到180°为止每12°变化并横轴方向排列时的模拟结果。由此结果得知，受光元件观测到的光强度分布形状根据入射光的偏振光状态而变化，因此通过分析该强度分布图案，可反向求出入射光的偏振光状态。

这里，就本发明偏振光分析装置观测到的强度分布图案进行逻辑(数学)分析。若将入射装置的光的偏振光状态用椭圆对称角即Ψ和Δ表示，则通过波片和起偏器后的光的琼斯矢量可表示为：

$>ver>>u>\to >>=>\begin{array}{}>>>1>>>0>>>>>0>>>0>>>>>\begin{array}{}>>>cos>\phi >>>sin>\phi >>>>>->sin>\phi >>>cos>\phi >>>>>\begin{array}{}>>>cos>\theta >>>->sin>\theta >>>>>sin>\theta >>>cos>\theta >>>>>\begin{array}{}>>>>e>j\alpha >>>>0>>>>>0>>>1>>>>>\begin{array}{}>>>cos>\theta >>>sin>\theta >>>>>->sin>>>cos>\theta >>>>>\begin{array}{}>>>1>>>>>tan>\Psi >·>>e>j\Delta >>>>>>>s>(式1)\end{array}\end{array}\end{array}\end{array}\end{array}\end{array}$

该式中，θ表示波片的主轴角度，α表示波片的滞后(相位差)，另外φ表示起偏器的主轴角度。如图5所示，与椭圆对称角的表现相比，入射光的偏振光状态由椭圆偏振波的椭圆率(ε)和斜率(γ)表示时，更易捕获偏振光状态的图像。由此可将入射光的偏振光状态置换成如下：

$>>\begin{array}{}>>>1>>>>>tan>\Psi >·>>e>j\Delta >>>>>>=>\begin{array}{}>>>cos>\gamma >>>->sin>\gamma >>>>>sin>\gamma >>>cos>\gamma >>>>>\begin{array}{}>>>1>>>>>jϵ>>>>>>s>(式2)\end{array}\end{array}\end{array}$

因而，到达受光元件阵列的光的偏振波状态最终可表现为：

$>ver>>u>\to >>=>\begin{array}{}>>>1>>>0>>>>>0>>>0>>>>>\begin{array}{}>>>cos>>(>\phi >->\theta >)>>>>sin>>(>\phi >->\theta >)>>>>>>->sin>>(>\phi >->\theta >)>>>>cos>>(>\phi >->\theta >)>>>>>>\begin{array}{}>>>>e>j\alpha >>>>0>>>>>0>>>1>>>>>\begin{array}{}>>>cos>>(>\theta >->\gamma >)>>>>sin>>(>\theta >->\gamma >)>>>>>>->sin>>(>\theta >->\gamma >)>>>>cos>>(>\theta >->\gamma >)>>>>>>\begin{array}{}>>>1>>>>>jϵ>>>>>>s>(式3)\end{array}\end{array}\end{array}\end{array}\end{array}$

观测到的光强度可由下式求出。

$>>>>|ver>>u>\to >>|>>2>>=>ver>>u>\to >>*>>·ver>>u>\to >>>s>(式4)$

即，受光元件阵列观测到的强度分布由入射偏振波状态(ε，γ)及波片角度(θ)和起偏器角度(φ)的函数表现。由于θ和φ是依赖装置的已知的值，通过分析观测到的光强度分布的形状，从逻辑观点出发能够明确准确求出入射光的偏振光状态。

作为强度分布图案的分析方法最简单的方法是检出被测定图案的最小值的位置的方法。这与在前说明的传统偏振光椭圆计的消光法对应。消光法中，可由波片角度和旋转起偏器而使入射光完全被消光时的波片及起偏器的角度直接求出入射偏振光的椭圆率和斜率。另一方面，在采用本发明的波片阵列和起偏器阵列的新偏振光分析装置的场合也根据完全相同的原理，特定二维强度分布图案上产生的暗点(最小值、零点)的位置，即波片和起偏器的主轴角度，从而可瞬间求出入射光的偏振光状态。但是，该方法不利用测定到的一大半二维信息，不能说充分发挥新偏振光分析装置的优点。另外，例如波片相位差并不严格为1/4波长时，存在暗点偏离理想位置，因此不能进行高精度的偏振波分析的情况。

因此，作为利用更多数据点分析图案的形状，并对波片偏离也可作校正的图案分析方法，本发明提出二维图案的傅里叶分析法和暗点附近的形状拟合法。傅里叶分析法中，利用偏振光分析装置观测到的强度分布图案以简单的频率分量表示的情况，由通过将图案形状傅里叶变换来求得的各频率分量的振幅和相位的值判定入射偏振光状态。而暗点附近的形状拟合法中，通过近似计算求出光强度最小值附近的图案形状，算出准确的暗点位置。通过并用该两种分析方法，可进行高速且耐噪声而且精度高的偏振光分析。

上述的本发明偏振光分析装置或利用该装置的偏振光椭圆计，通过利用光子晶体(多重图案光子晶体)，可非常高精度制作。另外，作为受光元件阵列可采用CCD等现有的图像传感器。因而，与传统制品相比，本发明的偏振光椭圆计不仅可实现非常小型且低价的装置，而且装置的可靠性也极高。因此，可期待导入薄膜加工装置内部，作为对膜厚、膜质实时监测器使用等，在传统偏振光椭圆计几乎不能实现的新使用方法。以下简单说明本发明的权利要求。

权利要求1的偏振光分析装置，其特征在于包括：设有透过的偏振波方向不同的多个区域的起偏器阵列；以及设有带给透射光的相位差一定且光轴方向不同的多个区域的波片阵列，使所述波片阵列在前面而所述起偏器阵列在后面地重叠配置，并二维配置可个别地接受通过波片和起偏器重叠而得到的各区域的光的受光元件阵列。这里，波片阵列、起偏器阵列及受光元件阵列可通过直接粘贴来一体化，但可在各阵列间配置中继透镜，使透过各阵列后的像在下个阵列上成像。另外，为了实现在整个偏振波状态上实现高精度的偏振波分析，最好波片阵列各区域的相位差为1/4波长(π/2弧度)，且波片阵列的光轴方向及起偏器阵列的光轴方向至少包括从0°到180°的范围。另外，起偏器阵列及波片阵列的区域的分割数越多测定精度就越高。

权利要求2的偏振光分析装置，其特征在于包括：设有透过的偏振波方向不同的至少2个以上条状区域的起偏器阵列；以及设有带给透射光的相位差一定且光轴方向不同的至少2个以上条状区域的波片阵列，使所述波片阵列在前面而所述起偏器阵列在后面而各条纹交叉地配置，并配置可个别接受通过各交叉区域的光的受光元件阵列。与权利要求1的场合同样，波片阵列、起偏器阵列及受光元件阵列也可直接粘贴而一体化，但也可在各阵列间配置中继透镜，使透过各阵列后的像成像于下个阵列上。另外，为了在整个偏振波状态上实现高精度的偏振波分析，最好波片阵列各区域的相位差为1/4波长(π/2弧度)，且波片阵列的光轴方向及起偏器阵列的光轴方向至少包括从0°到180°的范围。另外，起偏器阵列及波片阵列的条状区域的数量越多测定精度就越高。

权利要求3的偏振光分析装置，其特征在于：在权利要求1或2所述的偏振光分析装置中，所述起偏器阵列及所述波片阵列由在层叠方向上层形状有周期性且各层形状在按每个区域确定的面内一个方向上具有重复的周期性凹凸形状的电介质多层膜构成。

权利要求4的偏振光分析装置，其特征在于包括：设有透过的偏振波方向不同的多个区域的起偏器阵列；以及设有光轴方向一样且透射光的相位差不同的多个区域的波片阵列，使所述波片阵列在前面而所述起偏器阵列在后面地分别重叠配置，并配置可个别地接受通过由波片与起偏器的重叠而获得的各区域的光的光元件阵列。这里，波片阵列、起偏器阵列及受光元件阵列可通过直接粘贴来一体化，但可在各阵列间配置中继透镜，使透过各阵列后的像在下个阵列上成像。另外，为了在整个偏振波状态上实现高精度的偏振波分析，最好波片阵列各区域的相位差包括从0°到360°的范围，且起偏器阵列的主轴角度包括从0°到180°的范围。另外，起偏器阵列及波片阵列的区域的分割数越多测定精度就越高。

权利要求5的偏振光分析装置，其特征在于包括：设有透过的偏振波方向不同的至少2个以上条状区域的起偏器阵列；以及设有光轴方向一样且透射光的相位差不同的至少2个以上条状区域的波片阵列，使所述波片阵列在前面而所述起偏器阵列在后面而各条纹交叉地配置，并配置可个别接受通过各交叉部分的光的光元件阵列。与权利要求4的场合同样，波片阵列、起偏器阵列及受光元件阵列也可直接粘贴而一体化，但也可在各阵列间配置中继透镜，使透过各阵列后的像成像于下个阵列上。另外，为了在整个偏振波状态上实现高精度的偏振波分析，最好波片阵列各区域的相位差包括从0°到360°的范围，且起偏器阵列的主轴角度包括从0°到180°的范围。另外，起偏器阵列及波片阵列的区域的分割数越多测定精度就越高。

权利要求6的偏振光分析装置，其特征在于：在权利要求4或5所述的偏振光分析装置中，所述起偏器阵列由在层叠方向形状有周期性且各层形状按每个区域确定的面内一个方向上具有重复的周期性凹凸形状的电介质多层膜构成，所述波片阵列由在层叠方向上形状有周期性且具有按每个区域确定的重复周期且在共同的一个方向上具有周期性凹凸形状的电介质多层膜构成。

权利要求7的偏振光分析装置，其特征在于：同时具有权利要求1、2或3所述的偏振光分析装置和权利要求4、5或6所述的偏振光分析装置，使测量的光束分别入射偏振光分析装置。

权利要求8的偏振光分析装置，其特征在于：在权利要求1至权利要求7中任一项所述的偏振光分析装置中，在所述波片阵列和所述起偏器阵列之间，或所述起偏器阵列与所述受光元件阵列之间的某一方或两方设置光吸收性的层，或者在所述波片阵列及所述起偏器阵列或所述受光元件阵列的至少1个上，通过在所述阵列的各区域边界上形成透明区域或不透明区域，使不需要的多重反射光衰减。

权利要求9的偏振光分析装置，其特征在于：在权利要求1至权利要求8中任一项所述的偏振光分析装置中，所述波片阵列和所述起偏器阵列的周边部分设置相对入射偏振光各向同性的透明区域，或者在所述波片阵列和所述起偏器阵列的各区域边界部分的一部分上设置相对入射偏振光各向同性的透明区域，并与受光元件阵列组合，从而将本来想要测定的通过起偏器和波片之后的光强度分布与入射光强度分布或起偏器阵列和波片阵列的透射损耗分布同时测定，并校正测定结果。

权利要求10的偏振光分析装置，其特征在于：在权利要求1至权利要求9中任一项所述的偏振光分析装置中，为了抑制来自所述波片阵列及所述起偏器阵列的各区域边界部分的衍射光及散射光的影响，在所述波片阵列及所述起偏器阵列的各区域边界部分设置遮光区域，或者在所述波片阵列及所述起偏器阵列的边界部分将对应的受光元件阵列的区域遮光。显然，可同时进行所述波片阵列及所述起偏器阵列边界部分的遮光与受光元件阵列的对应区域的遮光。

权利要求11的偏振光分析装置，其特征在于：通过在面内配置多个权利要求1至权利要求10中任一项所述的偏振光分析装置，回避入射光束的位置变动造成的测定误差。

权利要求12的光测量装置或光测量方式，其特征在于：采用权利要求1至权利要求11中任一项所述的偏振光分析装置。

权利要求13的偏振光椭圆计，其特征在于：使特定波长的偏振光对测定试料以预定角度入射，并将来自测定试料的反射光导入权利要求1至权利要求11中任一项所述的偏振光分析装置，由受光元件阵列获得的光强度分布求出P偏振光分量及S偏振光分量的振幅反射率比。这时为去除来自试料的反射光以外的光并提高测定精度，可在所述偏振光分析装置前插入与入射光波长对应的光波长滤波片。

权利要求14的偏振光椭圆计，其特征在于：在真空薄膜形成装置中，向薄膜淀积中的基板表面使特定波长且特定偏振光状态的光按预定角度入射，并将来自基板表面的反射光导入权利要求1至权利要求11中任一项所述的偏振光分析装置，由受光元件阵列获得的光强度分布求出P偏振光分量及S偏振光分量的振幅反射率比。这时为去除来自试料的反射光以外的成膜装置内放射光或散射光，最好在所述偏振光分析装置前插入与入射光波长对应的光波长滤波片。

权利要求15的膜厚及膜质控制装置，其特征在于：将由权利要求13或权利要求14所述的偏振光椭圆计获得的膜厚及膜质信息，反馈到成膜速度或成膜时间的控制装置。

权利要求16的膜厚及膜质控制装置，其特征在于：设有至少2个以上权利要求13或权利要求14所述的偏振光椭圆计，将基板不同位置的膜厚及膜质按部位测量而获得的信息，反馈到膜厚及膜质分布校正控制装置。

权利要求17的偏振光分析方法或偏振光分析系统，其特征在于：使设有相位差一定且光轴方向不同的多个区域的波片阵列和设有透过的偏振波方向不同的多个区域的起偏器阵列重叠，并将可个别接受通过波片的某一区域和起偏器的某一区域的光的受光元件阵列二维配置的偏振光分析装置中，通过利用由所述受光元件阵列观测到的二维强度分布图案仅由DC分量和最多三个频率分量表示的特征，求出入射光的偏振光状态。

权利要求18的偏振光分析方法或偏振光分析系统，其特征在于：在权利要求17所述的偏振光分析方法或偏振光分析系统中，利用由受光元件阵列观测到的强度分布图案的最大点或最小点附近的图案形状特征，将取样值拟合或插补，求出椭圆对称的消光点或光量的最小点，并求出入射光的偏振光状态。

权利要求19的偏振光分析方法或偏振光分析系统，其特征在于：在权利要求17所述的偏振光分析方法及偏振光分析系统中，作为观测的强度分布图案的形状分析方法，采用傅里叶变换。

权利要求20的偏振光分析方法或偏振光分析系统，其特征在于：并用权利要求18所述的偏振光分析方法和权利要求19所述的偏振光分析方法。

权利要求21的偏振光分析方法或偏振光分析系统，其特征在于：在权利要求17至权利要求20中任一项所述的偏振光分析方法或偏振光分析系统中，通过分析观测到的强度分布图案的形状，检出所述偏振光分析装置中使用的波片阵列相位差的值，自校正与设计值之间的偏差。

权利要求22的信号处理方式，其特征在于：在权利要求17至权利要求21中任一项所述的偏振光分析方法或偏振光分析系统中，除去来自波片阵列或起偏器阵列的各区域边界部分的散射光及衍射光的影响，因此从受光元件阵列输出的信号中，去除来自接受所述散射光及衍射光的区域的信号。

附图的简单说明

图1是由光子晶体构成的起偏器或波片的概念图。

图2是表示图1所示光子晶体的传播特性的带图。

图3是用光子晶体构成的“角度变化型”偏振光分析装置。

图4是一例采用图3所示偏振光分析装置时观测的光强度分布。

图5是表现光的偏振光状态的方法的概念图。

图6是用光子晶体构成的“相位差变化型”偏振光分析装置。

图7是一例采用图6所示偏振光分析装置时观测的光强度分布。

图8是一例按照波片与起偏器的分割数不同的强度分布图案。

图9是一例测定的强度分布图案和插补后强度分布的关系。

图10是表示入射偏振波的斜率和观测到的强度分布图案之关系的概念图。

图11是一例观测的强度分布图案(与入射偏振波椭圆率的关系)。

图12是一例观测的强度分布图案(与入射偏振波斜率的关系)。

图13是分析强度分布图案的偏振光分析系统的结构例。

图14是观测的强度分布图案的暗点附近的等高线形状的示图。

图15是将图案形状与数据库比较的偏振光分析方法的概念图。

图16是去除阵列边界部分的影响的信号处理方式的示图。

图17是强度分布图案的傅里叶分析的模拟结果(其1)。

图18是强度分布图案的傅里叶分析的模拟结果(其2)。

图19是一例并用傅里叶分析和暗点检出法的图案分析算法。

图20是表示波片阵列和起偏器阵列一体化的方法的概念图。

图21是波片阵列和起偏器阵列一体化的第二方法的概念图。

图22是将图3和图6的偏振光分析装置一体化的偏振光分析装置的概念图。

图23是抑制偏振光分析装置中光的多重反射的方法的概念图。

图24是抑制偏振光分析装置中光的多重反射的第二方法的概念图。

图25是校正入射光强度分布或损耗分布的偏振光分析装置的结构例(其1)。

图26是校正入射光强度分布或损耗分布的偏振光分析装置的结构例(其2)。

图27是通过遮光区域回避散射/衍射光之影响的偏振光分析装置的结构例。

图28是用以回避入射光位置变动之影响的偏振光分析装置的结构例。

图29是利用本发明的偏振光椭圆计的结构的概念图。

图30利用本发明的分光偏振光椭圆计的结构的概念图。

图31是薄膜加工中的在线膜厚/膜质监测器的概念图。

图32是薄膜加工中的在线膜厚/膜质及分布监测器的概念图。

图33是一例溅镀装置中膜厚/膜质及分布的控制方法(其1)。

图34是一例溅镀装置中膜厚/膜质及分布的控制方法(其2)。

图35是一例溅镀装置中膜厚/膜质及分布的控制方法(其3)。

图36是一例真空蒸镀装置中膜厚/膜质及分布的控制方法。

图37是校正波片阵列相位差偏移的方法的第一实施例示图。

图38是校正波片阵列相位差偏移的方法的第二实施例示图。

本发明的最佳实施方式

首先，就由自凸面加工型光子晶体构成的起偏器阵列和同样由自凸面加工型光子晶体构成的波片阵列以及受光元件阵列的组合而构成的偏振光分析装置进行说明。如以上说明，光子晶体起偏器及光子晶体波片由图1的结构构成，通过在形成二维沟槽图案的基板101上使两种无机材料102及103自凸面加工生长来作成。这时，通过控制在基板101上作成的沟槽的周期、成膜用材料、各层的周期等，可自由设计光的折射率、光子带隙(PBG)的频带等各种特性。利用该特征，适当选择设计参数，从而，不仅能够作成使某一特定波长光中，一方偏振波(TM：与基板图案垂直的偏振波)透过，而另一方偏振波(TE：与基板图案平行的偏振波)被遮断的起偏器(偏振光分离元件)，而且能够作成对2个偏振波间带来任意相位差的波片。

在图3示出实现本发明权利要求3表示的使用光子晶体的“波片角度变化型”偏振光分析装置的结构例。波片阵列301及起偏器阵列302使用自凸面加工型光子晶体构成，可将图示那样复杂结构分别用一次加工制作。光子晶体波片阵列301排列M个将每个沟槽方向(波片光轴的方向)稍微改变的区域，经设计使各区域的滞后量(TM光与TE光的相位差)一定。同样，光子晶体起偏器阵列302也排列N个将每个沟槽方向(遮断的偏振波方向)稍微改变的区域，经设计使各区域的偏振波消光比充分高。图中设x轴方向为水平方向，y轴方向为垂直方向，波片与起偏器的轴的角度以x轴为基准从0°到180°逐渐变化，但取基准轴的方法或角度的范围是任意的。另外，图中将结晶轴不同的区域，在波片阵列301上沿x方向(横向)而在起偏器阵列302中沿y方向(纵向)分别使角度逐渐变化地排列，但如果使波片与起偏器的排列方向交叉，排列方向或排列顺序就为任意。将这种波片阵列和起偏器阵列互相正交地粘贴，在其后方配置受光元件阵列303，并个别地测量透过由波片阵列和起偏器阵列的重叠而作成的M×N个区域的光强度。作为受光器阵列，可采用CCD等现有的元件，可实现充分小型的器件。

入射光以比上述偏振光分析装置充分大的光点尺寸入射。入射光通过波片阵列按每个区域变换偏振波状态后，只令由起偏器阵列各区域的轴方向规定的特定偏振波分量透过。因而，受光元件阵列中的各个受光元件检出透过各自不同角度的波片、起偏器的光，且分析各受光元件检出的光强度，可二维地把握入射光的偏振光状态。

图4示出一例在这种波片角度变化型偏振光分析装置中，设波片阵列的相位差为π/2(1/4波长)，并将波片阵列及起偏器阵列的分割数设为16时，256元件的检出器阵列感光的强度分布的模拟结果。这里示出将1/4波片阵列各区域的主轴角度从0°到180°为止每12°变化并纵轴方向排列，起偏器阵列各区域的主轴角度(透过的偏振波的角度)也同样，从0°到180°为止每12°变化并横轴方向排列时的模拟结果。由此结果可知按照入射光的偏振光状态，检出器检出的光强度分布形状变化，因此通过分析所获得的强度分布图案，可辨别入射光的偏振光状态。这与采用传统的旋转1/4波片或旋转起偏器的消光型的偏振光椭圆计相比，可期待装置的小型化或测定时间的短缩及测定精度提高等众多效果。

接着，在图6示出实现本发明权利要求6所示的采用光子晶体的“波片相位差变化型”偏振光分析装置的结构例。波片阵列601及起偏器阵列602由自凸面加工型光子晶体形成，能够容易实现图示那样复杂的结构。起偏器阵列602与已述的图3(权利要求3)同样，排列N个逐渐改变沟槽方向(遮断的偏振波方向)的区域，并设计成各区域的偏振波消光比充分高。另一方面，波片阵列601中所有区域上沟槽方向(光轴方向)相同，使各区域的滞后量变化M次。图中，使波片阵列的光轴相对x轴(水平方向)成为45°，但可设定为0°或90°等任意角度。另外，与波片角度变化型(图3)的场合同样，取基准轴的方法、阵列的排列方向、排列顺序、起偏器阵列的主轴的角度范围及波片阵列的相位差的范围是任意的。将这样的波片阵列和起偏器阵列互相正交地粘贴，在其后方配置受光元件阵列603，个别地测量分别透过通过波片阵列与起偏器阵列分别重叠而作成的M×N个区域的光强度。该波片相位差变化型偏振光分析装置的场合，也与上述波片角度变化型的场合同样，通过分析受光元件阵列的各受光元件接受的光强度，可二维把握入射光的偏振光状态。

图7示出一例在相位差变化型偏振波分析装置中，将波片阵列及起偏器阵列的分割数分别设为16，使起偏器阵列的主轴从0°至180°为止每12°变化，并使波片阵列的滞后量从0°至360°为止每24°变化时的受光元件阵列感光的强度分布。与在前图4场合同样，横轴取起偏器的主轴角度(透过的偏振波方向)，纵轴取波片的滞后量，通过模拟方式求出256元件的受光器感光的光强度。这时对应入射光的偏振光状态，检出器检出的光强度分布改变，因此通过分析所获得的强度分布图案，可判别入射光的偏振光状态。这与采用传统的相位调制器的旋转检偏器型偏振光椭圆计相比，可期待装置的小型化、测定时间的短缩及测定精度的提高等众多效果。

接着，采用这些波片角度变化型及波片相位差变化型的偏振光分析装置时的偏振光分析方法进行说明。如上所述，在本发明偏振光分析装置中观测到的强度分布图案的形状依赖于入射光的偏振光状态。因而，通过分析观测的强度分布图案，可反向判定入射光的偏振光状态。作为该图案分析方法，以下简单说明最单纯的方法即检出强度分布图案的最大值(亮点)或最小值(暗点、零点)的方法。

关于波片角度变化型、波片相位差变化型任一场合的偏振光分析装置，如果适当选择波片阵列及起偏器阵列的角度范围，观测到的强度分布图案上必会存在亮点和暗点，其位置依赖于入射偏振波。因而，如果能够检出该亮点位置或暗点位置，就可特定偏振光状态。实际上通过考虑入射光的强度随时间变动的场合或入射光的光束分布在阵列全范围内并不均匀的场合，可得知与其检出亮点不如检出暗点更加容易，因此以下就暗点检出法的场合进行描述，但亮点检出的场合，其理论也完全同样成立。

理想地将波片阵列及起偏器阵列的分割数无限增大，则可准确得知观测到的强度分布图案的暗点位置，但实际阵列中分割数有限，因此所获得的暗点位置存在对应阵列分割数的误差。作为一例，图8示出在波片角度变化型偏振波分析装置中，将波片阵列和起偏器阵列的主轴角度从0°到180°为止每12°变化时(16分割)和每1°变化时(181分割)的两种情况下，水平方向的直线偏振波入射时的强度分布的模拟结果。由该图可知181分割时两个暗点(白点及箭头表示)以±1°的精度求出，但16分割时由于分割粗而难以准确获知暗点位置。为了提高暗点位置的分辨率，阵列的分割数越多就越好，但考虑到实际的制造和成本，最好以尽量少的分割数来实现。

为了以较少的分割数尽量高精度求出暗点位置，其有效方法是对每次观测到的强度分布进行插补，并通过计算求出连续的强度分布的方法。作为一例，可考虑在波片相位差变化型偏振波分析装置中，设波片阵列的主轴角度相对水平方向为45°，使相位差从0°到360°为止每24°变化(16分割)，并使起偏器阵列的主轴角度从0°到180°为止每12°变化(16分割)的场合。图9示出向该偏振光分析装置入射了右旋圆偏振波时，观测到的强度分布及对所获得的结果进行样条插补后的连续的强度分布的模拟结果。由图可知通过对强度分布进行插补，能够得到不并逊于增加阵列分割数时的连续的强度分布。由于能够基于该插补后的数据，经近似计算求出强度最小的点(用白点表示)，在分割数较少的情况下也能准确判定偏振波状态。经插补求得的暗点位置精度与阵列的分割数相关，因此基于装置要求的精度，确定阵列的分割数即可。

如上所述，暗点检出法中基于受光元件阵列检出的光的相对强度分布可瞬间判别偏振光状态，因此不需要有关光强度绝对值的信息。例如具有在入射光有强度分布时，或有光的强度变动时等，能以较高精度进行偏振光分析的特征。但是，该暗点检出法并非万能的，如上所述，例如在波片滞后量并不严格为1/4波长时，暗点位置从理想位置偏离，因此测定精度变差。为了解决该不良情况，本发明中作为偏振波分析方法提供“傅里叶分析法”和“图案形状拟合法”两种。

在对各图案形状分析方法进行说明之前，简单说明受光元件阵列观测到的图案形状的特征。本发明使用的偏振光分析装置观测到的光强度分布如说明图5的式3及式4表示，可由入射光的椭圆率(ε)和椭圆的斜率(γ)的函数来表示。这里，椭圆的斜率(γ)定义某一轴方向(这时水平方向)作为基准，但基准轴的方向为任意方向。因而，椭圆斜率(γ)的改变，相当于取基准轴的方法，即改变波片阵列和起偏器阵列的各区域的排列顺序的情况。例如，如图10所示，若入射偏振光的椭圆率一定(ε值为任意)，则椭圆斜率为0°时将偏振光分析装置1001水平配置获得的强度分布和椭圆斜率为45°时将相同偏振光分析装置1002以45°配置的场合观测到的结果完全相同。偏振光分析装置1002得到的测定结果和偏振光分析装置1003得到的测定结果相同，这相当于改换偏振光分析装置1001的波片阵列和起偏器阵列的排列顺序的场合。由此可知当改变入射光的偏振波的斜率时，观测到的强度分布图案在面内水平移动，其图案凹凸形状本身不变化。作为一例，图11示出将入射光的椭圆率设为一定(ε＝0.5)，将椭圆角度(γ)按0°、45°、90°变化时观测到的光强度分布。

另一方面，能够容易想到入射光的椭圆率变化时图案形状变化的情况。作为一例，图12示出将入射光的斜率设为γ＝0°且一定，使椭圆率ε按0(直线偏振光)、0.2、0.5、1(右旋圆偏振光)变化的情况下，观测到的光强度分布。当入射光为直线偏振光时，图案成为“船底形”的周期形状，而随着椭圆率的增大，图案形状被拉伸，当圆偏振光时成为椭圆被无限拉伸的极限的直线周期形状。由此，可由受光元件阵列观测到的光强度分布图案的凹凸形状求出入射偏振光的椭圆率(ε)，可知由图案在平面内的相对位置(坐标)求出入射偏振光的斜率(γ)。图13示出用以实施本发明偏振光分析方法或偏振光分析系统的装置结构例。在CPU1303接收通过利用波片阵列及起偏器阵列的偏振光分析装置1301观测到的光强度分布1302，分析其二维图案形状。以下，就各偏振光分析方法进行说明。

首先，作为一例权利要求18所示的基于光强度分布的拟合的偏振波分析法，就分析观测到的强度分布图案的等高线形状的偏振光分析算法进行说明。强度分布的等高线形状可通过从观测到的强度分布数据抽取强度相等的点来简单求出。这时，若波片阵列及起偏器阵列的分割数较少，则为获得更准确的等高线形状，其有效方法是通过拟合计算对每次观测到的值进行插补，求出光滑的强度分布后算出等高线形状的方法。等高线如图11及图12所示，可对观测到的强度分布图案全部区域求出，也可对图案特征显示最好的明点附近或暗点附近求出。如果能分析这样求得的等高线形状和位置，就能像上述那样求出入射光的偏振光状态。这里，作为等高线的形状分析方法之例，简单说明分析图案暗点(最小值)附近的等高线形状的斜率及位置的方法和与预先准备的图案数据库进行比较的方法。

首先，就检出等高线的斜率及位置的方法进行说明。作为一例，在图14汇集了之前在图4及图11所示的入射光为直线偏振光(ε＝0)时和右旋圆偏振光时(ε＝1)及右旋椭圆偏振光(ε＝0.5)时，仅描绘观测到的强度分布图案暗点附近的等高线的结果。一般波片阵列及起偏器阵列的主轴角度范围从0°到180°的场合，暗点在面内存在两处，图14中为了避免混乱，仅显示代表的暗点附近的等高线。由该图可知暗点附近的等高线形状大致为椭圆形，其形状可表现为：

A(φ-φ_o)²+B(φ-φ_o)(θ-θ₀)+C(θ-θ₀)²+D＝0    (式5)

其中，A、B、C及D为常数。可知该暗点的位置在入射偏振波的椭圆率(ε)一定时，存在于由椭圆率确定的特定直线上。例如，直线偏振光(ε＝1)时暗点存在于直线P-p上，右旋圆偏振光时暗点存在于直线Q-q上或Q’-q’上，而ε＝0.5的椭圆偏振光时的暗点位置存在于直线R-r上或R’-r’上。另外，虽然未在图中显示，左旋圆偏振光入射时的暗点位置与右旋时对称，存在于直线S-s或S’-s’上。可知当入射偏振光的斜率(γ)变化时，暗点位置在由椭圆率(ε)确定的上述直线上移动。

另外，可知暗点附近的以等高线方式获得的椭圆斜率随入射光的椭圆率而变化。在圆偏振光时的等高线成为椭圆被无限细长而达到极限的直线形状，最小值的轨迹的斜率为1，随着椭圆率的减小，等高线的椭圆斜率变小。利用此特征，可求出入射光的偏振光状态。总之，如果能够通过上述式5将偏振光分析装置观测到的强度分布图案的等高线形状拟合，就可准确求出其斜率或位置，因此能够准确求出入射光的偏振光状态(ε及γ)。

作为等高线的形状分析方法的另一例，图15示出将求得的图案形状与数据库进行比较的方法。这时，预先将对应各种偏振波状态的图案形状数据库化，将偏振光分析装置1501观测到的强度分布图案，通过CPU1502变换到等高线数据，进行与数据库1503中存储的图案形状的比较，检索一致的数据，从而求出入射光的偏振光状态。显然，可通过同时进行已述的等高线的位置及斜率检出的方法和与数据库比较的方法，进行更加准确的偏振光分析。

接着，说明权利要求19表示的将观测到的强度分布图案傅里叶变换后，求其频率分量的偏振光分析算法(傅里叶分析法)。将本发明使用的偏振光分析装置观测到的光强度分布的式(式3、式4)再次描述如下：

$>ver>>u>\to >>=>\begin{array}{}>>>1>>>0>>>>>0>>>0>>>>>\begin{array}{}>>>cos>>>(>\phi >->\theta >)>>>>sin>>(>\phi >->\theta >)>>>>>>->sin>>(>\phi >->\theta >)>>>>cos>>(>\phi >->\theta >)>>>>>>\begin{array}{}>>>>e>j\alpha >>>>0>>>>>0>>>>1>>>>>\begin{array}{}>>>cos>>(>\theta >->\gamma >)>>>>sin>>(>\theta >->\gamma >)>>>>>>->sin>>(>\theta >->\gamma >)>>>>cos>>(>\theta >->\gamma >)>>>>>>\begin{array}{}>>>1>>>>>jϵ>>>>>>s>(式6)\end{array}\end{array}\end{array}\end{array}\end{array}$

$>>>>|ver>>u>\to >>|>>2>>=>ver>>u>\to >>*>>·ver>>u>\to >>>s>(式7)$

若变形该式并用入射光强度标准化，则得到

$>>>>|ver>>u>\to >>|>>2>>·>>1>>1>+>>ϵ>2>>>>=>>1>2>>>s>$

DC分量

$>>+>>1>4>>·>>>1>->>ϵ>2>>>>1>+>>ϵ>2>>>>>(>1>+>cos>\alpha >)>>·>cos>>(>\Phi >->2>\gamma >)>>.>.>.>X>>s>$

$>>+>>1>4>>·>>>1>->>ϵ>2>>>>1>+>>ϵ>2>>>>>(>1>->cos>\alpha >)>>·>cos>>(>2>\Theta >->\Phi >->2>\gamma >)>>.>.>.>Y>>s>$

$>>+>>ϵ>>1>+>>ϵ>2>>>>sin>\alpha >·>sin>>(>\Theta >->\Phi >)>>.>.>.>Z>>s>(式8)$

这里，简单起见2φ＝Φ、2θ＝Θ地置换。式8表示观测到的二维强度分布由Φ、2Θ-Φ、Θ-Φ三个频率分量构成。如式8所示，将各频率分量置于X、Y、Z时，可知若入射光为直线偏振光(ε＝0)则Z＝0，若为直线偏振光(ε＝1)则X＝Y＝0。另外，入射偏振光的斜率(γ)由X及Y的相位表现，因此可知在γ变化时各频率分量的振幅即强度分布的形状不变，这与已述的结果一致。

由式8可知如果能够通过将偏振光分析装置观测到的强度分布傅里叶变换来计算其矢量，并求出各频率分量的振幅和相位，就可准确求出入射光的偏振光状态。就是说，当已知各频率分量X、Y、Z的值时，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来求得，入射光的椭圆率(ε)可由Z的振幅值如下求得。

(式10)

作为傅里叶变换的偏振光分析之例，图17和图18示出在入射偏振波的椭圆率变化和斜率变化的场合(图11、图12)，由受光元件阵列观测到的强度分布、将该强度分布傅里叶变换后的结果及通过傅里叶变换求得的各频率分量倒算入射偏振光状态的结果。图的结果表示将偏振光分析装置的波片阵列及起偏器阵列设为64分割，对将主轴角度从0°到180°为止(准确地说到177.1875°)每2.8125°变化时的强度分布进行分析。另外，将经傅里叶变换求得的各频率分量用入射光强度标准化。由结果可知从获得的各频率分量的值倒算的偏振光状态与入射偏振光一致。

但是，在实际偏振光分析装置中，除了来自外部的杂散光影响之外，因各种电气噪声而在观测到的强度分布上噪声重叠。另外，受光元件阵列的光应答中存在非线性时，就得不到正确的强度分布。因而，仅由上述拟合计算或傅里叶分析，所求得的偏振光状态的误差可能较大。在这种情况下，如权利要求20所示，通过并用等高线分析法与傅里叶分析法两种，可实现更高精度的偏振光分析。例如，由包含噪声的强度分布图案的傅里叶分析结果，求图案暗点附近有关图案形状的1次近似值，若能利用该近似值将取样值拟合，求得准确的等高线形状，则能高精度求出入射光的偏振光状态。

另外，作为偏振光分析装置的噪声对策，并用基于等高线分析或傅里叶分析法的偏振光分析方法和传统的偏振光分析法即检出图案的最小值(暗点)位置的方法(消光法)的方法也有效。如已说明的那样，消光法是非常简单的偏振波分析方法，可从强度分布图案内1点(例如最小点)的坐标信息瞬间求出入射偏振光的状态。利用该方法，例如如图19的(c)和(d)所示，若能利用通过对观测到的强度分布图案全体进行傅里叶分析来获得的暗点的1次近似的位置及暗点附近的强度分布2次曲线形状的信息，将暗点附近的强度分布图案与观测到的取样值准确拟合，并高精度求出有关暗点位置的第2次近似值，则与如(b)那样不具任何信息而进行取样点的拟合的场合相比，可作非常高精度的偏振光分析。(实际上测定数据为二维信息，但图19中为简化而示出一维的场合)。另外，分析图案全体形状时，考虑到最大值时受光元件阵列也不饱和，确定光强度及测定时间(选通时间)，由于重点在最小值(暗点)时无需考虑最大值的饱和，可通过较长的时间取得S/N较高的数据。通过这种方法，可对暗点附近的形状进行更高精度的拟合，可提高入射偏振波状态的分析精度。

以下，就本发明的实施例进行说明。

(实施例1)

在图20示出权利要求1至权利要求6的偏振光分析装置中，波片阵列和起偏器阵列一体化的例。在基板2004上形成沟槽图案，并通过层叠多层膜2003来作成起偏器阵列。将该起偏器阵列层的最终层2002层叠稍厚，同时强加溅射蚀刻，则由自凸面加工形成的凹凸消失，可作出平坦的表面。表面平滑化采用机械研磨也并无特别问题。然后，再通过光刻法作成新的波片用线和线间图案，并通过自凸面加工层叠多层膜2001，作成波片阵列。起偏器阵列和波片阵列的图案定位上，预先在基板的一部分设置定位用标记即可。这样，若能将起偏器阵列和波片阵列一体形成，则可通过与受光元件阵列2005组合，实现更小的偏振光分析装置。

(实施例2)

在图21示出权利要求1至权利要求6的偏振光分析装置中，将波片阵列和起偏器阵列一体化的另一例。该场合，在基板2102表面与背面分别形成沟槽图案，并通过自凸面加工形成波片阵列层2101和起偏器阵列2103层来实现一体化。为了图案的定位，基板2102可采用SiO₂等透明基板，并带有定位用标记。通过该一体化波片/起偏器阵列和受光元件阵列2104的组合，能够实现小型偏振光分析装置。

(实施例3)

由图4和图7可知在波片角度变化型及波片相位差变化型的任一种偏振光分析装置上，当某一特定偏振波入射时强度成为零的位置并不表现为点而表现为线。例如，在角度变化型(图4)的场合，入射右旋、左旋的圆偏振波的光时，强度分布呈线状，而相位差变化型(图7)的场合，入射与波片的主轴角度相同方向或正交方向的直线偏振光时，强度分布呈线状。当偏振波分析算法采用暗点检出法时，在这些异常点和其附近的偏振光状态，由于底部位置(或峰位置)并不定为一点，难以作偏振光状态的判定。

于是，作为本发明权利要求7的实施例，图22示出组合波片角度变化型偏振光分析装置和波片相位差变化型偏振光分析装置互补地使用的方法。将主轴角度变化型1/4波片阵列2201与滞后量(相位差)变化型波片阵列2202形成于同一基板上，并与起偏器阵列2203组合，并通过光检出器阵列2204测量光强度分布。在自凸面加工型光子晶体上可用同一加工作成各种图案，因此也能容易制作图示那样复杂图案。图中将各区域沿y轴方向排列，但各区域的配置位置或顺序为任意。这时，即使一方区域上强度分布成为线状而难以判别偏振光状态，在另一方区域上也能够准确求出零点位置，因此所有偏振波状态的判定不成问题。本发明的优点在于：即便这样复杂的结构，通过使用光子晶体能够充分小型且以简单的加工实现。

(实施例4)

权利要求1至权利要求7的偏振光分析装置，通过组合起偏器阵列和波片阵列及受光元件阵列这三个平面器件来构成，因此在起偏器和波片及受光元件之间光的多重反射可能造成问题。作为回避该多重反射之影响的方法，图23示出权利要求8的一个实施例。图23中示出波片阵列2301、起偏器阵列2302及受光元件阵列2305的截面。该场合，波片阵列2301中沟槽图案域2303每隔一定间隔形成，作为波片起作用的区域只是存在沟槽图案的区域。无沟槽的其它区域只为多层膜，对光透明或不透明。同样，在起偏器阵列基板2302上，形成起偏器图案2304的也仅仅是一部分，其它区域对光透明或不透明。将这样的2个波片阵列和起偏器阵列与受光元件阵列组合，并对光入射方向倾斜配置。如图所示，通过适当选择沟槽图案的节距或2个阵列的间隔及插入角度，可显著减少由起偏器阵列反射的光中在各面之间多重反射后由受光元件检出的分量。

(实施例5)

在图24中示出有关减少权利要求8的波片阵列和起偏器阵列及受光元件阵列之间光多重反射之影响的方法的另一实施例。这是将可吸收光的基板2401和2402配置在波片阵列2403和起偏器阵列2404之间或波片阵列2404和受光元件阵列2405之间的结构。将这些元件粘贴或通过在一个基板上成膜制作等方法来一体化的场合也同样。在这种结构中，光透射强度本身会变弱，但认为通常入射光的强度比光检出器的灵敏度充分强，因此实用上无问题。在起偏器阵列2404或受光元件阵列2405等上反射的光，在传播吸收层2401和2402内的过程中被吸收而逐渐变弱，因此可充分减小再次反射而由检出器检出的分量。

(实施例6)

作为权利要求9的实施例，图25示出在波片阵列及起偏器阵列的各区域之间设置透明区域，测定入射光强度分布或波片阵列及起偏器阵列的损耗分布的结构例。将波片阵列2501的各区域彼此分离地排列，同样将起偏器阵列2502的各区域彼此分离地排列。预先设计无起偏器阵列或波片阵列的图案的区域对光透明。当利用光子晶体时，图示那样复杂的结构也可通过一次的加工简单作成。将该波片阵列和起偏器阵列与受光元件阵列2503组合时，各受光元件可分成测定通过波片和起偏器两个的光分量的区域2504；测定仅通过波片的光的区域2505；测定仅通过起偏器的光的区域2506；以及测定都不通过波片和起偏器的光(通过透明区域的光)的区域2507。可通过在区域2507测定的光强度分布得知入射光的强度分布信息。同样可由在区域2505测定的强度分布评价波片阵列的损耗分布，由在区域2506测定的强度分布评价起偏器阵列的损耗分布。利用这些数据，可校正测定区域2504上测定的强度分布，可作高精度的偏振波分析。

(实施例7)

作为权利要求9的第二实施例，图26示出在波片阵列及起偏器阵列的周边部设置透明区域的例。波片阵列基板2601中作为波片起作用的部分仅为中央附近周期图案的某个区域，其它周边区域为透明区域。同样，在起偏器阵列基板2602中作为起偏器起作用的仅为中央附近，周边部分成为透明区域。这样复杂的图案也可利用光子晶体技术简单形成。起偏器阵列及波片阵列分别成为长方形形状，当重叠2个阵列时图案的端边不重叠，仅通过某一方的光也到达受光元件。在这种情况下，受光元件阵列2603的区域2604测定通过波片和起偏器两方的光强度分布。区域2605接受仅通过波片的光，区域2606接受仅通过起偏器的光，区域2607测定通过起偏器和波片之一的光强度。由区域2605的测定结果得知波片阵列的损耗分布，从区域2606的测定得知起偏器阵列的损耗分布。另外，认为入射光通常为高斯光束，因此由区域2607的测定结果也可评价入射光的光束分布。利用所获得的损耗分布及入射光的强度分布，可作测定数据的高精度校正。

(实施例8)

在本发明的偏振光分析装置中所使用的波片阵列及起偏器阵列的各区域边界附近，结构上不能避免光的散射或衍射，因此光的像杂乱。为了去除这种阵列的边界附近的光，并得到更加明确的强度分布图案，图27示出权利要求10的实施例。在波片阵列2701和起偏器阵列2702各区域的边界部分配置了用黑线表示的遮光区域2703，入射到该部分的光不能到达受光元件。或者，在受光元件阵列2704中来自波片阵列及起偏器阵列边界部分的光入射的区域设置遮光区域2705，从而能够去除散射光及衍射光。

(实施例9)

作为权利要求11的实施例，图28示出一例将本发明的偏振光分析装置配置在4个平面内，回避入射光束位置变动造成的测定误差的方法。本发明中通过利用光子晶体，能够实现充分小型的偏振光分析装置，因此容易将多个偏振光分析装置配置在小区域，或容易将多个偏振光分析装置一体化而集成为一个装置。在平面内并列配置偏振光分析装置2801到2804，从而在入射光束变动的场合，光也会照射到4个中任意区域。通过适当设计入射光束的光束直径，不管光束照射到哪个位置，也能获得由一台本发明的偏振光分析装置获得的强度分布同等以上的信息。例如图示那样，光入射到4个偏振光分析装置的中央区域2805时，由各区域各获得1/4的强度分布信息，可通过合成这些信息进行偏振光分析。若进一步增加面内配置的偏振光分析装置的数量，则可应对更大的光束变动。

(实施例10)

作为权利要求13的实施例，图29示出组合本发明的偏振光分析装置与激光源来实现的偏振光椭圆计。图29仅为一例采用本发明的偏振光椭圆计，采用本发明实现偏振光椭圆计的结构也可考虑其它任一种。该图中在配置组合波片阵列与起偏器阵列的受光元件2903和激光源2902的装置中央，配置试料台2906。来自激光器的出射光的偏振光状态是预知的。在试料台2906上设置想要测定的薄膜取样2901，调整透镜对2904，使激光会聚到取样，同时使反射光成为平行光束而到达偏振光分析装置2903。用偏振光分析装置2903检出来自取样的反射光，并通过CPU2905从测定到的强度分布算出反射光的偏振光状态。偏振光椭圆计中，一般将光的偏振光状态用P波和S波的振幅强度比(Ψ)和相位差(Δ)表示。通常入射光采用45°的直线偏振光(Ψ＝1，Δ＝0)，测定这时反射光的Ψ’及Δ’。可由测定结果求出取样中P波、S波的菲涅耳反射率(R_P，R_S)，即薄膜膜厚与折射率。

(实施例11)

作为权利要求13的另一实施例，图30示出采用本发明的偏振光分析装置能够实现的简易型分光偏振光椭圆计。这时也与实施例10的偏振光椭圆计的场合同样，在试料台3004上放置试料基板3001，照射来自分别不同波长的激光源组3002的光，并采用分别对应各波长的受光头组3003检出各波长的反射光。由CPU3005分析各受光头检出的偏振光状态，但通过利用多个波长可更加准确地评价试料的膜厚、膜质。

若用传统技术实现这种分光偏振光椭圆计，则需要设置多个高精度的旋转机构或驱动部分，具有不仅装置成为大型而且测定时间变长的缺点。与之相比，本发明中能够通过利用光子晶体实现小型偏振光分析装置，不仅容易将多个光学系统收容到一个装置内，由于无驱动部分而能够实现高可靠性的器件。另外，可由受光元件阵列获得的结果瞬间判别偏振光状态，可使测定时间非常短。

(实施例12)

作为权利要求14及权利要求15的实施例，图31示出一例蒸镀或溅镀等薄膜形成加工中的膜厚/膜质监测器。考虑真空容器3106内放置基板3101，通过对控制电路3105进行控制使物质源3107成膜到基板上的加工装置。如图所示，在该成膜装置的容器内设置激光源3102及本发明的偏振波分析装置的受光头3103，将激光向基板照射，由受光部头检出来自基板的反射光。图中将小型激光源设置于容器内，也可将光源配置在容器外部，利用偏振波保持型的光纤等，将光导入容器内。CPU3104中分析来自受光头的信号，可由光强度分布实时监测成膜过程中薄膜的膜厚与折射率。另外，将监测到的膜厚或膜质的信息反馈到装置，通过控制成膜条件，可进行严密的成膜管理。

这种在薄膜形成加工中实时的膜厚/膜质监测器，对高精度的膜厚、膜质管理极为有用，是以往没有的技术。传统的偏振光椭圆计为大型装置，在加工装置中几乎不能实时地监测膜厚/膜质。另外，存在例如水晶振子那样的膜厚监测器，但不能监测包括折射率在内的膜质。通过本发明，能够实现偏振光椭圆计的超小型化或高可靠性，因此作为真空加工的膜厚/膜质监测器，能够容易导入到装置内部。另外，如已说明的那样，本发明不需要光强度绝对值的信息，而仅用相对强度分布能够判别膜厚/膜质。因而，能够不受成膜物质附着到窗等导致光强度变动的影响地进行监测。

在通常的真空加工装置中，为形成均匀的膜，一般，一边使基板支持器自转或公转(或两方)一边进行成膜。以往对这种经常移动的基板的膜厚或膜质的监测非常困难。在这种情况下，通过利用本发明，能够实现充分高速的膜厚/膜质测定，例如通过使基板支持器的旋转周期与测定的取样周期一致等的方法，能够实时地监测膜厚/膜质。若对取样周期下工夫，则在一次对多个基板成膜的场合，也能按每个基板监测膜厚/膜质。另外，在基板支持器有晃动且光的入射位置有变动时，也能通过扩大入射光的光束直径，或采用如权利要求9及实施例6和实施例7所示的强度分布校正方法或权利要求11及实施例9所示的应对光束位置变动的方法来回避测量误差。

(实施例13)

作为权利要求16的实施例，图32示出对加工装置内部导入多个偏振光椭圆计的结构。本例中，从加工装置外部的激光源3202，利用光纤3208将激光导入真空容器3206内。光纤分支为多个，从光纤端出射的光在各基板3201上的不同位置反射，由本发明的偏振光分析装置组3203分别检出。通过这种结构，不仅可监测成膜过程中的膜厚/膜质，而且也能实时地监测基板上不同部位的膜厚/膜质的分布。将CPU3204算出的分布信息反馈给装置的成膜控制装置3205，只要能控制膜的组分或成膜速率的分布，就可形成更加均匀的膜。

对可由本发明实现的加工中膜的均一化方法进行简单说明。图33是对侧溅镀装置安装多个膜厚控制装置的例。靶材3301纵向配置，在旋转式鼓轮3302周围安装基板。通常，膜厚及膜质在基板的旋转方向上均匀，但纵向不均匀且越往外围膜厚就越小。因此，为扩大纵向的均匀区域，提出了在靶材周围配置校正板3303而控制等离子体密度的方法。一直以来，为了提高膜的均一性，不得不采用脱线方式测定成膜后的膜厚分布，并调整遮蔽板的形状及安装位置重复给出条件的复杂的方法，因此非常难将分布均一化到1～2％或其以下。与此相比，采用本发明的偏振光椭圆计3304的场合，由实时的测定结果，将CPU3305的计算获得的膜厚/膜质的分布信息，反馈到成膜控制装置3306，控制施加到靶材的电力及遮蔽板的开度，从而能够通过在线方式调整膜厚分布一定。

图34示出有关溅镀装置中膜的均一化的另一例。考虑在靶材3401周围配置多个气体导入口3402，分别设有控制气流量的质量流控制器3403的溅镀装置。在这种溅镀装置中，通过控制供给靶材周围的气流量，可局部控制等离子体密度。一般成膜的膜质及成膜速率与等离子体密度相关，因此通过控制各位置中的等离子体密度，可控制各位置上的膜厚/膜质。只要能利用本发明的偏振光椭圆计3404，并实时地将由CPU3405获得的膜厚/膜质的信息反馈到控制电路3406，并以在线方式控制装置内等离子体密度，就可作到均匀且均质的成膜。

图35示出有关利用溅镀装置的成膜控制的方法的第三例。在磁控管溅镀装置的阴极3501内部，配置永久磁铁3502和电磁铁3503两个。在这种装置中，能够通过控制流过电磁铁的电流，控制全体等离子体的密度。将利用本发明的偏振光椭圆计3504及CPU3505进行监测的分布信息反馈到控制电路3506并进行电磁铁的控制，从而能够实时控制等离子体密度，因此可在线方式控制膜厚/膜质。

最后在图36示出一例真空蒸镀装置中的膜均一化方法。考虑可在容器内配置多个蒸镀源3602的多源蒸镀装置。在这种装置中，通过控制加到各蒸镀源的电力配分，能够控制膜厚及膜质的分布。利用本发明的偏振光椭圆计3603，实时监测基板3601各位置上的膜厚/膜质，并将CPU3604算出的分布信息反馈到成膜控制装置3605。如果根据经测定获得的分布信息控制加到各蒸镀源的电力量，就可作成均匀且均质的膜。

(实施例14)

利用本发明中使用的波片阵列及起偏器阵列的新方法的偏振光分析装置，具有无驱动部而可靠性高，且与传统装置相比可显著缩短测定时间等优点。另外，利用光子晶体，不仅可实现充分小型的器件，而且可在各阵列的主轴方向上进行非常高精度的控制。但是，对于波片阵列的相位差(滞后)，即使进行详细的加工控制，也难以作到与理想值即1/4波长(π/2弧度)严格一致。若考虑光子晶体的结构及作成方法，则在加工上没有分布时，波片阵列的各波片区域的相位差在与设计值有偏差的场合也预测到在全区域上成为一定值。

作为校正这种波片阵列的相位差偏移的方法，图37示出权利要求21的第一实施例。这是由对偏振光分析装置入射某一特定偏振波状态的光时观测到的强度分布信息求出波片的相位差，校正其偏移的方法。作为一例，考虑采用格兰-汤姆森棱镜等消光比高的起偏器3701，向偏振光分析装置3702入射直线偏振光的场合。(此时偏振波的倾斜角度为任意)这时，示出偏振光分析装置内波片阵列的相位差分别为70°、90°及110°时观测到的光强度分布。如上所述，直线偏振光入射时的强度分布图案为“船底形”形状，由图可知船底的椭圆形状(椭圆率)随波片阵列的相位差而变化。因而，通过分析偏振光分析装置上入射直线偏振波的光时所获得的强度分布图案的形状，可准确评价波片阵列的相位差偏移。这里，作为分析直线偏振光入射时观测到的图案的方法，可采用已述的等高线分析法或傅里叶分析法。

(实施例15)

作为校正波片阵列的相位差偏移的方法，图38示出权利要求21的第二实施例。向偏振光分析装置3801入射任意偏振光状态的光，并通过CPU3802对观测到的光强度分布进行傅里叶变换。这时经傅里叶变换获得的各频率成分如上所述，由式8表示。将各频率分量置于X、Y、Z的场合，波片阵列的各波片区域的相位差(α)可由下式求出。

或(式11)即，采用傅里叶变换分析强度分布形状时，由经傅里叶变换求得的各频率分量的值，如上所述，不仅可求出入射光的椭圆率(ε)及偏振波的斜率(γ)，而且也能同时求出波片的相位差(α)值。

如上所述，在本发明的偏振光分析方法中，只要波片阵列的相位差在阵列的全区域一定(均匀)，相位差大小就不会成问题。不管相位差值取何值(除α＝0°的场合)，通过分析测定到的强度分布图案，都能准确评价相位差的偏移，能够求出正确的入射偏振光的值。这与以往采用单一波片或起偏器的偏振光椭圆计相比非常有效。例如，在传统的偏振光椭圆计中采用的消光法，当所使用波片的相位差从1/4波长稍微偏移时，由于旋转起偏器或波片时消光点从本来位置偏离，不能作准确的偏振波分析。

(实施例16)

本发明中使用的偏振光分析装置的波片阵列及起偏器阵列，将不同区域排列多个，各区域的边界部分并不连续，发生光的散射或衍射。散射光及衍射光在信号处理上呈显为噪声，成为劣化偏振光分析精度的要因。因此，为了实现高精度的装置，存在如权利要求10所示，在偏振光分析装置中使用的波片阵列或起偏器阵列或受光元件阵列配置遮光区域，以不接受散射光或衍射光的方法，但作为不采用这种遮光结构而消除散射光或衍射光之影响的方法，图16示出如权利要求22所示的信号处理方法的实施例。

通过波片阵列1601及起偏器阵列1602的光入射到受光元件阵列1603。作为受光元件阵列，假设采用一般的CCD，则单个受光元件的尺寸为数μm程度，这与波片阵列及起偏器阵列的各区域尺寸相比充分小。因而，在接受通过经交叉波片阵列和起偏器阵列作成的各区域的光的受光元件区域上，分别存在多个受光元件。在这些受光元件输出的电信号中，不采用从接受包含来自波片阵列及起偏器阵列的边界部分的散射光或衍射光的光的区域1604输出的信号，而通过仅对从接受无散射光或衍射光之影响的光的区域1605输出的信号进行合计或平均来求出各区域的光强度，这样就能实现高精度的偏振光分析。图中，不使用信号的区域1604在各区域上下占一列受光元件的量，但区域的占取方法或尺寸为任意，可随偏振光分析装置的结构而改变。这种信号处理方法可用CPU非常简单且高速计算，因此是对偏振光测定精度的改善非常有效的方法。

工业上的利用可能性

通过本发明实现的偏振光分析装置及利用该偏振光分析装置的偏振光椭圆计，无驱动部且小型，并且可高精度且高速分析入射光的偏振光状态。通过利用光子晶体来削减构成元件，不仅使位置调整容易，而且可通过图案分析来校正波片阵列的相位差偏移，因此可实现制造性非常高且低价的装置。

因而，可通过在1台薄膜制造装置上设置多个偏振光椭圆计后以在线方式测定以往利用高价的大型装置以脱线方式测定的试料的膜厚或膜质。如此本发明的偏振光分析装置或偏振光椭圆计适合用于薄膜制造的控制或品质管理，可置换传统方法。