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Dokumentenidentifikation DE102004002194A1 04.08.2005
Titel Optisches System zum Messen der optischen Konstante
Anmelder National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Kawate, Etsuo, Tsukuba, Ibaraki, JP
Vertreter Viering, Jentschura & Partner, 80538 München
DE-Anmeldedatum 15.01.2004
DE-Aktenzeichen 102004002194
Offenlegungstag 04.08.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.08.2005
IPC-Hauptklasse G01N 21/00
IPC-Nebenklasse G01J 1/04   G01N 21/17   G01N 21/41   G01N 21/55   G01N 21/59   G01M 11/02   G01J 3/02   
Zusammenfassung Ein optisches System zum Messen der optischen Konstante ist vorgestellt, welche dazu geeignet ist, das absolute Reflexionsvermögen und das absolute Transmissionsvermögen zu messen, um die optische Konstante einer Substanz mit exzellenter Genauigkeit zu bestimmen, ohne das optische System während der Messung durch Verwendung eines anderen Systems zum Messen des absoluten Reflexionsvermögens und des absoluten Transmissionsvermögens der Probe auszutauschen, aufweisend einen eingangsseitigen Strahlschaltspiegel zum selektiven Schalten der Richtung von Licht von einer Lichtquelle zu einer ersten oder einer zweiten Konvergierendes-Licht-Reflexions-Vorrichtungs-Seite, erste und zweite Konvergierendes-Licht-Reflexions-Vorrichtung zum Projizieren des von dem Strahlschaltspiegel kommenden Lichtes derart, dass es in einer an der Position eines Probenhalters kreuzenden Weise konvergiert wird, wobei der Probenhalter geeignet ist, selektiv eine Probeneinpassöffnung oder eine Durchgangsöffnung an der Konvergier-Position der Konvergierendes-Licht-Reflexions-Vorrichtung durch Vorschieben/Zurückziehen der Probeneinpassöffnung oder der Durchgangsöffnung zu positionieren, eine erste und eine zweite Empfangendes-Licht-Reflexions-Vorrichtung, welche auf dem optischen Pfad des Lichtes angeordnet sind, welches Licht von einer in der Probeneinpassöffnung des Probenhalters eingepassten Probe oder der Durchgangsöffnung reflektiert oder transmittiert wird, und welche das Licht zu einem einzelnen ...

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System zum Messen der optischen Konstante, welches in der Lage ist, das absolute Reflexionsvermögen und das absolute Transmissionsvermögen zu messen, und sie betrifft insbesondere ein optisches System, welches in der Lage ist, durch Ermöglichen eines geeigneten Lichteinfalls auf die Probe das absolute Reflexionsvermögen sowohl für den Vorderseiten-Einfall als auch den Rückseiten-Einfall, und das absolute Transmissionsvermögen für den Vorderseiten-Einfall und den Rückseiten-Einfall zu messen, und welches zusätzlich in ein System mit einer externen Lichtquelle, wie etwa einem Laserstrahl, einer Mikrowellenlichtquelle oder einem Detektor, oder einem Dispersions-Typ-Spektrophotometer oder einem Fourietransformations-Typ-Spektrophotometer eingebaut ist.

Beschreibung des Standes der Technik

Optische Technologie wird in der IT-Industrie in optischer Hochgeschwindigkeits-, Hoch-Durchsatz Kommunikation, in Bildverarbeitung, und so weiter eingesetzt, in der medizinischen Industrie bei einem Laser-Messer, bei Krebsbehandlung und so weiter, beim Einsatz von Laserstrahlung in der Produktionsindustrie in der Nano-Technologie, bei Isotopentrennung, einer Anzeige, einer Beleuchtungsanwendung, und so weiter, im akademischen Bereich bei präzisen optischen Messungen, Technologieentwicklung für Informationsverarbeitung, und so weiter, und ist im modernen Leben eine sehr wichtige Technologie.

Die grundlegende Technologie, um diese optische Technologie zu tragen, ist die Bestimmung der optischen Konstante (des Brechungsindex und des Dämpfungskoeffizienten) der Substanz, in anderen Worten der komplexen Dielektrizitätskonstante. Um diese beiden Unbekannten (den Brechungsindex und den Dämpfungskoeffizienten) zu bestimmen, sind zwei unabhängige Messungen notwendig.

Eines der Verfahren ist, im Falle einer transparenten Probe, wie einem Dielektrikum, die optische Konstante durch Messen des absoluten Reflexionsvermögens und des absoluten Transmissionsvermögens bei einem vorbestimmten Winkel zu bestimmen, und die gekoppelten Gleichungen hiervon zu lösen, oder im Falle einer nicht-transparenten Probe, wie etwa einem Metall, die optische Konstante durch Messen des absoluten Reflexionsvermögens bei zwei verschiedenen Einfallswinkeln und Lösen der hierzu gehörigen gekoppelten Gleichungen zu bestimmen. Diese Verfahren sind intuitiv und vielseitig.

Beim Messen des Reflexionsvermögens und des Transmissionsvermögens einer Probe in einem konventionellen Dispersions-Typ-Spektrophotometer für den sichtbaren und ultravioletten Strahlenbereich und einem konventionellen Fourietransformations-Typ-Spektrophotometer für den infraroten Strahlenbereich wurden verschiedene optische Systeme eingesetzt. Daher ist zum Messen zweier Größen (Reflexionsvermögen und Transmissionsvermögen) beschwerliches "Ersetzen" eines Teiles des optischen Systems, wenigstens während der Messung, notwendig. Darüber hinaus stellt dieses "Ersetzen" einen wesentlichen Fehlerfaktor in dem Ergebnis der Messungen dar.

Insbesondere ist darüber hinaus das absolute Transmissionsvermögen als das Verhältnis der Lichtintensität bei Anwesenheit beziehungsweise Abwesenheit einer Probe auf der Achse des einfallenden Lichtes bestimmt. In diesem Fall können die Probe und ein Detektor in einer Reihe entlang der optischen Achse des einfallenden Lichtes angeordnet sein, und die Messung ist einfach. Andererseits ist die Messung des absoluten Reflexionsvermögens bestimmt als das Verhältnis der Lichtintensität bei Anwesenheit und Abwesenheit der Probe. In diesem Fall verläuft, wenn die Probe abwesend ist, das Licht in der Richtung des einfallenden Lichtes. Andererseits ist, wenn die Probe anwesend ist, die Verlaufsrichtung des reflektierten Lichtes aufgrund der Reflexion abweichend von der ursprünglichen Richtung des einfallenden Lichtes.

Zum Messen dieses absoluten Reflexionsvermögens wurden ein Verfahren (goniometrisches Verfahren) zum Bewegen des Detektors, und ein Verfahren (V-N-Verfahren und V-W-Verfahren) zum Bewegen eines zusätzlichen Spiegels bei fixiertem Detektor entwickelt.

12A und 12B beschreiben ein Verfahren zum Messen des absoluten Reflexionsvermögens bei einem konventionellen goniometrischen Verfahren. Bei diesem goniometrischen Verfahren wird das Licht von einer Lichtquelle LS eines Spektrophotometers und so weiter auf einen Probenhalter SH konvergiert, und das transmittierte oder reflektierte Licht wird von einem Detektor D detektiert. Der Probenhalter SH weist eine Durchgangsöffnung B und eine Probe T auf, und gleitet, um eine von ihnen auszuwählen.

Beim Messen wird, wie in 12A gezeigt, die Durchgangsöffnung B des Probenhalters SH ausgewählt, und das Hintergrundsignal wird von dem Detektor D gemessen. Der Einfallswinkel wird in diesem Zustand als &THgr; definiert.

Anschließend wird es dem Probenhalter SH ermöglicht, zu gleiten, um die Probe T auszuwählen, der Detektor D wird um (180° – 2&THgr;) um die Probe herum gedreht, und das von der Probe reflektierte Probensignal wird gemessen (Bezug auf 12B). Durch Berechnen des Verhältnisses zum Hintergrundsignal kann das absolute Reflexionsvermögen bei dem Einfallswinkel q bestimmt werden.

Bei diesem goniometrischen Verfahren kann das absolute Transmissionsvermögen ebenfalls gemessen werden. In diesem Fall, wie in 12A gezeigt, wird die Durchgangsöffnung B in dem Probenhalter SH ausgewählt, und ähnlich wie oben wird das Hintergrundsignal von dem Detektor D gemessen. Anschließend wird es dem Probenhalter SH ermöglicht zu gleiten, um die Probe T auszuwählen, und der Detektor D kann das von der Probe T im Wesentlichen an der gleichen Stelle transmittierte Probensignal messen. Das absolute Transmissionsvermögen bei dem Einfallswinkel &THgr; ist als das Verhältnis dieser beiden Größen bestimmt.

Bei dieser Messung des absoluten Reflexionsvermögens muss der Detektor oder der Spiegel bewegt werden. Reproduzierbarkeit der Bewegung von diesem Detektor oder dem Spiegel beeinflusst wesentlich die Messfehler.

Wie oben beschrieben, ist bei der herkömmlichen Messung des absoluten Reflexionsvermögens im Allgemeinen die Messgenauigkeit schlecht, und die Genauigkeit ist bei Verwendung eines marktüblichen Spektrophotometers ungefähr einige Prozent beim Messen des absoluten Reflexionsvermögens.

Darüber hinaus kann bei dem goniometrischen Verfahren das absolute Reflexionsvermögen bei einem willkürlichen Einfallswinkel gemessen werden, während der Einfallswinkel in einem anderen V-W-Verfahren oder V-N-Verfahren im Allgemeinen nicht geändert werden kann.

Für eine Messung der Lichtstreuung von der Probe wird der Detektor zu einem anderen Winkel als dem der regulären Reflexion von der Probe in dem goniometrischen Verfahren bewegt, oder die Probe wird bei einem Verfahren unter Verwendung der integrierenden Kugel in eine integrierende Kugel eingebracht, und es wird dem regulär reflektierten Licht ermöglicht, aus der integrierenden Kugel zu entweichen. Bei diesem Verfahren unter Verwendung der integrierenden Kugel wird nur die mittlere Lichtstreuung bestimmt, und die Winkelabhängigkeit der Lichtstreuung der Probe kann im Prinzip mit dem goniometrischen Verfahren bestimmt werden, aber die Messung ist sehr schwierig.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, diese herkömmlichen Probleme zu lösen, und insbesondere ein optisches System zum Messen der optischen Konstante bereit zu stellen, welches in der Lage ist, das absolute Reflexionsvermögen und das absolute Transmissionsvermögen zu bestimmen, indem Faktoren für große Fehler des Messresultates eliminiert werden, ohne irgendwelche abweichenden optischen Systeme zum Messen des Reflexionsvermögens und des Transmissionsvermögens der Probe zu verwenden, und ohne die Notwendigkeit, ein Teil des optischen Systems während der Messung "zu ersetzen" um das absolute Reflexionsvermögen und das absolute Transmissionsvermögen zu messen.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches System zum Messen der optischen Konstante bereit zu stellen, welches leicht in ein Dispersions-Typ-Spektrophotometer eingebaut werden kann, wie es in dem Bereich von Wellenlängen, welche kürzer als die Wellenlänge von Nah-Infrarotstrahlen sind, ausgiebig eingesetzt werden, oder in ein Fourietransformations-Typ-Spektrophotometer, wie es in dem Bereich von Wellenlängen, welche kürzer als die Wellenlängen von nahen Infrarotstrahlen sind, eingesetzt wird.

Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches System zum Messen der optischen Konstante bereit zu stellen, welches in der Lage ist, das absolute Reflexionsvermögen und das absolute Transmissionsvermögen einer Substanz mit exzellenter Genauigkeit zu messen, und dies nicht nur in einem System, welches eine externe Lichtquelle wie einen Laserstrahl oder Mikrowellenlichtquelle und einen Detektor aufweist, aber auch in dem Dispersions-Typ-Spektrophotometer beziehungsweise Fourietransformations-Typ-Spektrophotometer.

Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches System zum Messen der optischen Konstante bereit zu stellen, welches in der Lage ist, das absolute Reflexionsvermögen und das absolute Transmissionsvermögen für den Vorderseiten-Einfall und den Rückseiten-Einfall zu bestimmen, indem es dem Licht ermöglicht wird, auf eine Probe von einer Vorderseite beziehungsweise einer Rückseite einzufallen.

Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches System zum Messen der optischen Konstante bereit zu stellen, welches in der Lage ist, das Reflexionsvermögen und das Transmissionsvermögen bei einem willkürlichen Einfallswinkel zu messen, und unbeeinflusst von Vielfachreflexion innerhalb des Substrates von einer zusammengesetzten Probe, wie etwa einem dünnen Film auf einem Substrat, das Spektrum zu messen.

Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches System zum Messen der optischen Konstante bereit zu stellen, welches in der Lage ist, auch von der Probe gestreutes Licht zu messen.

Im Wesentlichen ist das optische System zum Messen der optischen Konstante gemäß der vorliegenden Erfindung zum Erreichen der obigen Ziele dadurch gekennzeichnet, dass ein erster und ein zweiter optischer Pfad, welche sich an dem Probenhalter kreuzen, eingerichtet sind, dass entweder die Probeneinpass-Öffnung oder die Durchgangs-Öffnung von dem Probenhalter durch Vorschieben/Zurückziehen der Probeneinpass-Öffnung oder der Durchgangs-Öffnung zu/von einer Schnittstelle der beiden optischen Pfade positioniert wird, dass der erste und der zweite optische Pfad durch Projizieren von Licht derart gebildet werden, dass es von einem eingangsseitigen Strahlschaltspiegel kommend auf die Schnittstelle konvergiert wird, um selektiv die Richtung des Lichtes von der Lichtquelle zu der ersten oder der zweiten Konvergiertes-Licht-Reflexions-Vorrichtungs-Seite über die erste oder die zweite Konvergiertes-Licht-Reflexions-Vorrichtung umzuschalten, dass eine erste und eine zweite Empfangenes-Licht-Reflexions-Vorrichtung zum Projizieren des Lichtes auf einen einzelnen ausgangsseitigen Strahlschaltspiegel entlang dem optischen Pfad des Lichtes angeordnet sind, welches Licht von der in die Proben-Einsetz-Öffnung des Probenhalters eingesetzten Probe oder der Durchgangsöffnung über den ersten oder den zweiten optischen Pfad reflektiert oder transmittiert wird, dass der ausgangsseitige Strahlschaltspiegel dazu geeignet ist, die Richtung des von der Empfangenes-Licht-Reflexions-Vorrichtung projizierten Lichtes umzuschalten, so dass das Licht auf einen einzelnen Detektor zu projiziert wird, und dass das absolute Reflexionsvermögen und das absolute Transmissionsvermögen des Vorderseiten-Einfalls und des Rückseiten-Einfalls der Probe gemessen werden können.

In dem optischen System zum Messen der optischen Konstante sind die erste beziehungsweise die zweite Konvergiertes-Licht-Reflexions-Vorrichtung und die erste beziehungsweise die zweite Empfangenes-Licht-Reflexions-Vorrichtung jeweils Ellipsoidspiegel. Jeder Ellipsoidspiegel kann derart angeordnet sein, dass ein Brennpunkt an dem Probenhalter angeordnet ist, und der andere Brennpunkt sich auf der optischen Achse des einfallenden oder auslaufenden Lichtes befindet, und das die optischen Achsen der optischen Pfade in einer einzelnen Ebene liegen. In dieser Anordnung sind bevorzugterweise vier Ellipsoidspiegel in einer X-förmigen Symmetrie bezüglich der die Probenoberfläche enthaltenden Ebene angeordnet.

Darüber hinaus weisen in dem optischen System zum Messen der optischen Konstante gemäß der vorliegenden Erfindung die Konvergiertes-Licht-Reflexions-Vorrichtung und die Empfangenes-Licht-Reflexions-Vorrichtung einen ersten und einen zweiten Sphäroidspiegel auf, und beide Sphäroidspiegel sind an jeweiligen Öffnungen von ihnen miteinander derart gekoppelt, dass die Rotationsachsen beziehungsweise einer der Brennpunkte jeweils miteinander koinzidieren. Der Probenhalter ist an der gemeinsamen Brennpunktposition des Sphäroidspiegels angeordnet, und der einfallsseitigen Strahlschaltspiegel und der ausgangsseitige Strahlschaltspiegel sind an zwei verbleibenden Brennpunkt-Positionen angeordnet, und die eingangsseitige Durchgangs-Öffnung an der Einfallsseite des ersten Sphäroidspiegels ist geöffnet, und die ausgangsseitige Durchgangsöffnung an der Ausgangsseite des zweiten Sphäroidspiegels ist geöffnet.

In diesem Zustand sind zwei Schaltspiegel in einer korrelierten Beziehung zueinander drehbar, das absolute Reflexionsvermögen und das absolute Transmissionsvermögen kann bei einem beliebigen Einfallswinkel gemessen werden, und der Strahlschaltspiegel auf der Ausgangsseite ist einzeln drehbar, um die Lichtstreuung der Probe zu messen. Darüber hinaus kann im Falle einer zusammengesetzten Probe, wie etwa der Dünnschichtprobe auf dem Substrat, der Einfallswinkel der Probe als der Bewsterwinkel in Bezug auf das Substrat gewählt werden, indem im Wesentlichen zwei Strahlschaltspiegel gedreht werden, wobei das auf die Probe einfallende Licht p-polarisiertes Licht ist, und die optische Messung der Dünnschicht kann von der Vielfachreflexion innerhalb des Substrates unbeeinflusst ausgeführt werden.

Ferner kann in dem optischen System zum Messen der optischen Konstante unter Verwendung des ersten und des zweiten Sphäroidspiegels der Probenhalter selektiv die Probeneinpassöffnung beziehungsweise die Referenzprobeneinpassöffnung an die Schnittstelle der optischen Pfade positionieren, und das Reflexionsvermögen und das Transmissionsvermögen der Probe kann dadurch bei einem beliebigen Einfallswinkel gemessen werden.

Ferner kann in dem optischen System zum Messen der optischen Konstante der vorliegenden Erfindung die Konvergiertes-Licht-Reflexions-Vorrichtung und die Empfangenes-Licht-Reflexions-Vorrichtung durch Kombinieren von konkaven Spiegeln mit Ergänzungs-Spiegeln gebildet werden, wobei die konkaven Spiegel und die ergänzenden Spiegel, welche die Konvergiertes-Licht-Reflexions-Vorrichtungen bilden, derart angeordnet sind, dass das Licht von dem Strahlumschaltspiegel der Eingangsseite über den Ergänzungs-Spiegel auf den konkaven Spiegel projiziert wird, und auf den Probenhalter projiziert wird, und die konkaven Spiegel und die Ergänzungs-Spiegel, welche die Empfangenes-Licht-Reflexions-Vorrichtung bilden, derart angeordnet sind, dass das Licht von dem Probenhalter über den Konkavspiegel auf den Ergänzungs-Spiegel projiziert wird, und auf einen Strahlumschaltspiegel auf der Ausgangsseite projiziert wird.

In diesem Falle sind die konkaven Spiegel bevorzugterweise in einer X-förmigen Symmetrie bezüglich der Ebene, welche die Probenoberfläche enthält, angeordnet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine perspektivische Ansicht, welche den Aufbau einer ersten Ausführungsform eines optischen Systems zum Messen der optischen Konstante gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

2 ist eine perspektivische Ansicht, welche den Aufbau gemäß einer zweiten Ausführungsform eines optischen Systems zum Messen der optischen Konstante gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei dessen Innenseite perspektivisch dargestellt ist.

3 ist eine schematische Darstellung der Messung des Hintergrundes für Vorderseiten-Einfall gemäß der zweiten Ausführungsform.

4 ist eine schematische Darstellung der Messung des Proben-Reflexionsvermögens für Vorderseiten-Einfall gemäß der zweiten Ausführungsform.

5 ist eine schematische Darstellung der Messung des Hintergrundes für Rückseiten-Einfall gemäß der zweiten Ausführungsform.

6 ist eine schematische Darstellung der Messung des Proben-Reflexionsvermögens für Rückseiten-Einfall gemäß der zweiten Ausführungsform.

7 ist eine Draufsicht, welche schematisch den Aufbau gemäß einer dritten Ausführungsform eines optischen Systems zum Messen der optischen Konstante gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

8 ist eine Draufsicht, welche schematisch den Aufbau gemäß einer vierten Ausführungsform eines optischen Systems zum Messen der optischen Konstante gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

9 ist eine perspektivische Ansicht einer Anordnung eines optischen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Spektrophotometer.

10 zeigt Spektren, welche das experimentelle Resultat der Transmissionvermögen-Messung von einer Rein-Silizium-Probe mit einem optischen System gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.

11 sind Spektren, welche das experimentelle Resultat von Reflexionsspektren von einer Rein-Silizium-Probe durch ein optisches System gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.

12A und 12B sind schematische Darstellungen, welche ein Verfahren zum Messen des absoluten Reflexionsvermögens mittels eines herkömmlichen goniometrischen Verfahrens zeigen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Ausführungsformen eines optischen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung werden in Detail mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt eine erste Ausführungsform eines optischen Systems zum Messen der optischen Konstante gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses optische System weist einen eingangsseitigen Strahlschaltspiegel RM1 und einen ausgangsseitigen Strahlschaltspiegel RM2, und vier dazwischen angeordnete Ellipsoidspiegel EM1, EM2, EM3 und EM4 und einen in einem Brennpunkt jedes Ellipsoidspiegels angeordneten Probenhalter SH auf.

Insbesondere hat der Probenhalter SH ein Gleitelement SL mit zwei darin ausgebildeten Öffnungen gleicher Größe. Eine Öffnung ist eine Durchgangsöffnung B ohne jede Probe, und die andere Öffnung ist die Probeneinpassöffnung, in welche die Probe T derart eingepasst ist, dass sie die Öffnung vollständig abdeckt. Ein sich kreuzender erster und zweiter optischer Pfad sind an der Position dieses Probenhalters SH eingerichtet, und das Gleitelement SL kann von einer in den Probenhalter SH eingebauten Antriebseinheit geschaltet werden, so dass die Probe T oder die Durchgangsöffnung B an der Kreuzung dieser optischen Achsen angeordnet ist, und die Probeneinpassöffnung oder die Durchgangsöffnung ist zurückziehbar an der Kreuzung dieser optischen Pfade angeordnet, um selektiv das Positionieren auszuführen.

Die oben genannten vier Ellipsoidspiegel EM1, EM2, EM3 und EM4 sind in einer X-förmigen Symmetrie bezüglich des Ortes, welcher eine Probenfläche enthält angeordnet, und jeder Ellipsoidspiegel ist derart angeordnet, dass ein Brennpunkt an der Position der oben genannten Öffnung in dem Probenhalter SH angeordnet ist, und dass der andere Brennpunkt auf der optischen Achse des einfallenden oder ausfallenden Lichtes angeordnet ist. In der Ausführungsform der Figur ist die Vorderseite der Probenseiten einer Ebene zugewandt, welche Ebene mit dem Ellipsoidspiegel EM1 und dem Ellipsoidspiegel EM3 in Kontakt steht, und ist derart angeordnet, dass sie parallel zu dieser Ebene ist. Darüber hinaus sind die optischen Achsen der optischen Pfade derart angeordnet, dass sie in einer einzelnen Ebene liegen.

Der Einfallsseiten-Strahlschaltspiegel RM1 schaltet selektiv die Richtung des von der Lichtquelle LS kommenden Lichtes zu dem Ellipsoidspiegel EM1, welcher eine erste Konvergierendes-Licht-Reflexions-Vorrichtung darstellt, oder dem Ellipsoidspiegel EM2, welcher eine zweite Konvergierendes-Licht-Reflexions-Vorrichtung darstellt, und durch diesen Schaltvorgang wird das Licht von der Lichtquelle LS derart projiziert, dass es über den Strahlschaltspiegel RM1 den Ellipsoidspiegel EM1 oder den Ellipsoidspiegel EM2 erreicht, und dass es über den ersten oder den zweiten optischen Pfad auf den Probenhalter SH konvergiert wird. Die anderen Brennpunkte der Ellipsoidspiegel EM1 und EM2, von denen ein Brennpunkt auf dem Probenhalter SH angeordnet ist, sind bevorzugterweise auf der Vorderseite des Strahlschaltspiegels RM1 angeordnet, aber sie können auch auf der optischen Achse des einfallenden Lichtes über den Strahlschaltspiegel RM1 auf die Ellipsoidspiegel zu angeordnet sein.

Darüber hinaus sind die Ellipsoidspiegel EM3 und EM4, welche die erste und die zweite Empfangenes-Licht-Reflexions-Vorrichtung bilden, in einer zu den Ellipsoidspiegeln EM1 und EM2 symmetrischen Anordnung entlang dem optischen Pfad des Lichtes angeordnet, welches über den ersten oder zweiten optischen Pfad von der in einer oberen Einpassöffnung des Probenhalters SH angeordneten Probe T oder der Durchgangsöffnung B reflektiert oder durch sie durch transmittiert wird. Diese Ellipsoidspiegel EM3 und EM4 sind derart eingerichtet, dass sie das Licht von dem Probenhalter SH auf einen einzelnen, ausgangsseitigen Strahlschaltspiegel RM2 projizieren, und der ausgangseitige Strahlspiegel RM2 kann dessen Richtung umschalten, so dass das über die Ellipsoidspiegel EM3 und EM4 projizierte Licht auf einen einzelnen Detektor D projiziert wird.

Nachfolgend wird ein Verfahren zum Messen des absoluten Reflexionsvermögens und des absoluten Transmissionsvermögens für den Vorderseiteneinfall und den Rückseiteneinfall der Probe T mittels eines optischen Systems zum Messen der optischen Konstante beschrieben, welches den obigen Aufbau aufweist.

Als erstes wird ein Verfahren zum Messen des absoluten Reflexionsvermögens beschrieben, wobei das absolute Reflexionsvermögen von der Proben-Vorderseite, welches als r definiert wird, unter Verwendung der Ellipsoidspiegel EM1, EM4 und EM3 bestimmt wird, und das absolute Reflexionsvermögen von der Proben-Rückseite, welches als r' definiert wird, unter Verwendung der Ellipsoidspiegel EM2, EM4 und EM3 bestimmt wird.

Beim Messen des absoluten Reflexionsvermögens der Vorderseite wird das Licht von der Lichtquelle LS, wie etwa einem Spektrophotometer, von dem Strahlschaltspiegel RM1 empfangen, der in der in 1 angegebenen Richtung gehaltenen wird, und zu dem Ellipsoidspiegel EM1 transmittiert. Der Ellipsoidspiegel EM1 konvergiert dieses Licht auf den Probenhalter SH. Zum Messen des Hintergrundsignals ist in dem Probenhalter SH die Durchgangsöffnung B ausgewählt, und alles Licht wird zu dem Ellipsoidspiegel EM4 (durch eine gepunktete Linie angezeigt) transmittiert. Der Ellipsoidspiegel EM4 konvergiert dieses Licht und transmittiert es zu dem Strahlschaltspiegel RM2, und das Licht wird auf einen Detektor D, wie etwa einem Spektrophotometer, konvergiert. Die Ausgabe ist in diesem Fall als I0 definiert.

Um das von der Probe T reflektierte Probensignal zu messen, wird als Nächstes die Probe T in dem Probenhalter SH ausgewählt, und das einfallende Licht wird von der Probe T (durch eine durchgezogene Linie angezeigt) reflektiert, und zu dem Ellipsoidspiegel EM3 transmittiert. Der Ellipsoidspiegel EM3 konvergiert dieses Licht und transmittiert es zu dem Strahlschaltspiegel RM2, welcher der Seite des Ellipsoidspiegels EM3 zugewendet ist, und das Licht wird auf den Detektor D konvergiert. Die Ausgabe ist in diesem Fall als Ir definiert. Das absolute Reflexionsvermögen r von der Vorderseite ist bestimmt als r=Ir/I0.

Beim Messen des absoluten Reflexionsvermögens von der Proben-Rückseite wird das Licht von der Lichtquelle LS von dem der Seite des dem Ellipsoidspiegel EM2 zugewandten Strahlschaltspiegel RM1 empfangen und zu dem Ellipsoidspiegel EM2 transmittiert. Der Ellipsoidspiegel EM2 konvergiert dieses Licht auf den Probenhalter SH. Um das Hintergrundsignal zu messen, wird die Durchgangsöffnung B in dem Probenhalter SH ausgewählt, und alles Licht wird somit zu dem Ellipsoidspiegel EM3 transmittiert. Der Ellipsoidspiegel EM3 konvergiert dieses Licht und transmittiert es zu dem Strahlschaltspiegel RM2, und das Licht wird auf den Detektor D konvergiert. Die Ausgabe ist in diesem Zustand als I'0 definiert.

Um das Probensignal der Probe zu messen, wird als Nächstes die Probe in dem Probenhalter SH ausgewählt, und das einfallende Licht wird von der Probe reflektiert und zu dem Ellipsoidspiegel EM4 transmittiert. Der Ellipsoidspiegel EM4 konvegiert dieses Licht und transmittiert es zu dem gedrehten Strahlschaltspiegel RM2 und das Licht wird auf den Detektor D konvergiert. Die Ausgabe ist in diesem Zustand als I'r definiert. Das absolute Reflexionsvermögen r' von der Rückseite ist bestimmt als r'=I'r/I'0. Bei einer allgemeinen Probe ist das absolute Reflexionsvermögen von der Vorderseite nicht gleich des absoluten Reflexionsvermögens von der Rückseite (r≠r').

Als Nächstes wird die Messung des absoluten Transmissionsvermögens von der Vorderseite der Probe und des absoluten Transmissionsvermögens von der Rückseite derselben mittels des optischen Systems zum Messen der optischen Konstante beschrieben. Beim Messen des absoluten Transmissionsvermögens von der Vorderseite der Probe wird das Licht von der Lichtquelle LS zuerst von dem Strahlschaltspiegel RM1 empfangen und zu dem Ellipsoidspiegel EM1 transmittiert. Der Ellipsoidspiegel EM1 konvergiert dieses Licht zu dem Probenhalter SH. Um das Hintergrundsignal zu messen, wird die Durchgangsöffnung in dem Probenhalter SH ausgewählt und alles Licht wird zu dem Ellipsoidspiegel EM4 transmittiert. Der Ellipsoidspiegel EM4 konvergiert dieses Licht und transmittiert es zu dem Strahlschaltspiegel RM2, und das Licht wird zu dem Detektor D konvergiert. Die Ausgabe in diesem Zustand ist definiert als I0.

Beim Messen des durch die Probe T transmittierten Probensignals wird durch Auswählen der Probe T in dem Probenhalter SH nur das durch die Probe T transmittierte Licht aus dem einfallenden Licht zu dem gleichen Ellipsoidspiegel EM4 transmittiert. Der Ellipsoidspiegel EM4 konvergiert dieses Licht und transmittiert es zu dem Strahlschaltspiegel RM2, und das Licht wird auf den Detektor D konvergiert. Die Ausgabe in diesem Zustand ist definiert als It. Das absolute Transmissionsvermögen t von der Vorderseite ist bestimmt als t=It/I0.

Beim Messen des absoluten Transmissionsvermögens von der Rückseite der Probe wird das Licht der Lichtquelle LS von dem der Seite des Ellipsoidspiegels EM2 zugewandten Strahlschaltspiegel RM1 empfangen und zu dem Ellipsoidspiegel EM2 transmittiert. Der Ellipsoidspiegel EM2 konvergiert dieses Licht zu dem Probenhalter SH. Um das Hintergrundsignal zu messen, wird die Durchgangsöffnung B in dem Probenhalter SH ausgewählt, und alles Licht wird hierdurch zu dem Ellipsoidspiegel EM3 transmittiert. Der Ellipsoidspiegel EM3 konvergiert dieses Licht und transmittiert es zu dem gedrehten Strahlschaltspiegel RM2, und das Licht wird auf den Detektor D konvergiert. Die Ausgabe in diesem Zustand ist definiert als I'0.

Um das durch die Probe T transmittierte Probensignal zu messen, wird die Probe T in dem Probenhalter SH ausgewählt, und das durch die Probe T transmittierte Licht aus dem einfallenden Licht wird zu dem gleichen Ellipsoidspiegel EM3 transmittiert. Der Ellipsoidspiegel EM3 konvergiert dieses Licht und transmittiert es zu dem Strahlschaltspiegel RM2, und das Licht wird auf den Detektor D konvergiert. Die Ausgabe in diesem Zustand ist als I't definiert. Das absolute Transmissionsvermögen t' von der Rückseite ist zu t'=I't/I'0 bestimmt. Bei einer idealen Probe ist das absolute Transmissionsvermögen von der Vorderseite gleich dem absoluten Transmissionsvermögen von der Rückseite (t=t').

Das Umschalten zwischen der Probe T und der Durchgangsöffnung B des Gleitelements SL und das Umschalten der Richtung der Strahlschaltspiegel RM1 und RM2 kann in Abhängigkeit von dem zu messenden Objekt in einer gekoppelten Weise ausgeführt werden.

Als Nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf 2-6 beschrieben.

In dieser zweiten Ausführungsform wird ein bi-sphäroider Spiegel E, welcher, wie in 2 gezeigt, den ersten und den zweiten sphäroiden Spiegel E1 und E2 aufweist, anstelle der Ellipsoidspiegel EM1-EM4 als Konvergiertes-Licht-Reflexions-Vorrichtung und Empfangenes-Licht-Reflexions-Vorrichtung in der ersten Ausführungsform verwendet. Daher weist ein optisches System gemäß der zweiten Ausführungsform auf: den bi-sphäroiden Spiegel E auf, welcher die zwei sphäroiden Spiegel E1 und E2 aufweist, zwei Strahlschaltspiegel RM1 und RM2, und einen Probenhalter SH.

Bei dem bi-sphäroiden Spiegel E sind die zwei sphäroiden Spiegel E1 und E2 aneinander angrenzend angeordnet, so dass die jeweiligen Rotationsachsen auf der gleichen Achse liegen (auf der optischen Achse, welche eine Lichtquelle mit einem Detektor verbindet, wie im Folgenden beschrieben wird). Diese zwei sphäroiden Spiegel E1 und E2 sind an den jeweiligen Öffnungen hiervon vollständig miteinander gekoppelt, so dass Querschnitte, wenn diese Sphäroid-Spiegel in einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse, welche nahe beieinanderliegende Brennpunkte enthält, geschnitten werden, miteinander in Übereinstimmung gebracht sind, und ein Brennpunkt des Sphäroidspiegels E1 wird mit einem Brennpunkt des Ellipsoidspiegels E2 als ein gemeinsamer Brennpunkt f0 in Übereinstimmung gebracht. Darüber hinaus sind eine eingangsseitige Durchgangsöffnung P1 und eine ausgangsseitige Durchgangsöffnung P2 in der Eingangsseite des ersten Sphäroidspiegels E1 beziehungsweise in der Ausgangsseite des zweiten Sphäroidspiegels E2 angeordnet.

Beim Herstellen der in der Figur gezeigten bi-sphäroiden Spiegel E werden zuerst zwei Sphäroid-Spiegel E1 und E2 mit zu Spiegeln gearbeiteten Innenseiten vorbereitet und entlang der Ebene geschnitten, welche in Vertikalrichtung von der Horizontalebene, welche die die zwei Brennpunkte dieser Sphäroide verbindende Achse enthält, gleichen Abstand aufweist, und sie werden entlang der Ebene geschnitten, welche senkrecht zu der durch einen Brennpunkt dieser Sphäroide verlaufenden Rotationsachse angeordnet ist. Die jeweils in der Schnitt-Ebene enthaltenen Brennpunkte werden miteinander in Übereinstimmung gebracht, um den gemeinsamen Brennpunkt f0 auszubilden, und die zwei Sphäroidspiegel E1 und E2 werden derart angeordnet, dass dieser gemeinsame Brennpunkt f0 und zwei verbleibende Brennpunkte f1 und f2 auf einer Linie angeordnet sind.

Diese Linie wird mit der Rotationsachse der zwei Sphäroidspiegel E1 und E2 in Übereinstimmung gebracht, und bildet auch die Rotationsachse des Bi-Sphäroid-Spiegels E. Zwei Durchgangsöffnungen, die eingangsseitige Durchgangsöffnung P1 und die ausgangsseitige Durchgangsöffnung P2, sind entlang der Achse an den Schnitten dieser Achse mit den Sphäroid-Spiegeln E1 und E2 an beiden Seiten angebracht.

Eine externe Lichtquelle LS ist auf die eingangsseitige Durchgangsöffnung P1 einfallend auf der Achse angeordnet, und ein Detektor D zum Detektieren des von der ausgangsseitigen Durchgangsöffnung P2 auslaufenden Lichtes ist auf der Achse angeordnet. Darüber hinaus ist der Probenhalter SH in dem gemeinsamen Brennpunkt f0 angeordnet, und der eingangsseitige Strahlschaltspiegel RM1 beziehungsweise der ausgangsseitige Strahlschaltspiegel RM2 sind in den beiden verbleibenden Brennpunkten f1 beziehungsweise f2 des Sphäroidspiegels angeordnet. Die Richtung dieser Strahlschaltspiegel kann gesteuert sein, wodurch eine optische Anordnung bestimmt werden kann, um ein Einfallen unter einem willkürlichen Einfallswinkel &thgr; in Bezug auf die Probe zu ermöglichen.

Der Probenhalter SH ist im Wesentlichen nicht anders als der in der ersten Ausführungsform. Zwei Öffnungen gleicher Größe sind in dem Gleitelement SL angeordnet. Eine von ihnen ist die Durchgangsöffnung B, welche keine Probe trägt, und die andere ist eine Probeneinsatzöffnung, welche dazu geeignet ist, die Probe T aufzunehmen, und das Umschalten zwischen mit-Probe und ohne-Probe wird möglich. Die Strahlschaltspiegel RM1 und RM2 können auch in einer gekoppelten Weise durch einen Kopplungs-Mechanismus (nicht dargestellt) betrieben werden, wenn dieses Gleitelement geschaltet wird. Als Folge hiervon müssen weder der Detektor D noch der Spiegel bewegt werden, das herkömmlicherweise benötigte "Ersetzen" wird unnötig, die Reproduzierbarkeit der Spektren des absoluten Reflexionsvermögens und des absoluten Transmissionsvermögens ist außerdem erhöht, und die Messfehler können reduziert werden.

Nachfolgend wird der Betrieb der zweiten Ausführungsform beschrieben.

Praktisch gesehen, fällt in 2 das Licht von der Lichtquelle LS der externen Lichtquelle und des Spektrophotometers durch die eingangsseitige Durchgangsöffnung P1 in diesen bi-sphäroiden Spiegel E ein. Dieses einfallende Licht wird zuerst auf dem Strahlschaltspiegel RM1 konvergiert, und das von diesem Strahlschaltspiegel RM1 reflektierte Licht erreicht den Sphäroidspiegel E1 und wird von diesem reflektiert, und wieder auf die Probe T bei dem gemeinsamen Brennpunkt f0 konvergiert. Eine Probenfläche des Probenhalters SH ist parallel zu der Achse des bi-sphäroiden Spiegels E ausgerichtet. Das von dieser Probenfläche reflektierte oder durch sie hindurch transmittierte Licht erreicht den Sphäroidspiegel E2 und wird von diesem reflektiert, und wiederum auf den Strahlschaltspiegel RM2 konvergiert. Das von dem Strahlschaltspiegel RM2 reflektierte Licht verläuft entlang der optischen Achse der Originallichtquelle LS und erreicht den Detektor D. Diese Anordnung ist aufgrund des Vorhandenseins von Spiegeln frei von chromatischer Abberation, und ist dazu geeignet, die Messung mit hoher Genauigkeit auszuführen.

Dieses optische System kann das absolute Reflexionsvermögen und das absolute Transmissionsvermögen bei einem beliebigen Einfallswinkel bezüglich der Probe messen, und die Messung hiervon wird im Folgenden mit Bezug auf 3 bis 6 beschrieben.

Als erstes wird das Reflexionsvermögen von der Vorderseite, welche von der Kombination der proximalen Fläche des Sphäroidspiegels E1 und des Sphäroidspiegels E2 bestimmt ist, als r definiert, und das Reflexionsvermögen von der Rückseite, welche von der Kombination einer distalen Fläche des Sphäroidspiegels E1 mit dem Sphäroidspiegel E2 bestimmt ist, als r' definiert.

Darüber hinaus wird der Winkel, bei welchem der Strahlschaltspiegel RM1 in Richtung der Lichtquelle LS und senkrecht zu der Rotationsachse des bi-sphäroiden Spiegels E ausgerichtet ist, als Null definiert. Andererseits wird der Winkel, bei welchem der Strahlschaltspiegel RM2 auf dem Detektor D zu, und senkrecht zu der Rotationsachse hiervon ausgerichtet ist, als Null definiert.

Nun wird die Messung des Reflexionsvermögens von der Vorderseite der Probe beschrieben. In 3 und 4 wird die optische Achse des von der Lichtquelle LS in den bi-sphäroiden Spiegel E einfallenden Lichtes als koinzident mit der Rotationsachse des bi-sphäroiden Spiegels E angenommen. In diesem Fall ist der Winkel, unter welchem das einfallende Licht von dem Strahlschaltspiegel RM1 reflektiert wird, durch geeignetes Drehen des Strahlschaltspiegels RM1 im Uhrzeigersinn auf die Vorderseite in der proximalen Seite des Sphäroidspiegels E1 in 3 projiziert (im Folgenden als "eine Vorderfläche" bezeichnet) als &psgr; (Grad) definiert. In diesem Zustand weist das von dem Sphäroidspiegel E1 reflektierte Licht zur Vorderseite des Probenhalters SH einen Einfallswinkel von &thgr; Grad auf.

Um das Hintergrundsignal zu messen, wird die Durchgangsöffnung B in den Probenhalter SH ausgewählt, und, wie in 3 gezeigt, läuft das einlaufende Licht durch die Durchgangsöffnung B in den Probenhalter SH, und wird von der sphäroiden Fläche am distalen Ende des Sphäroid-Spiegels E2 in 3 (im Folgenden als "hintere Fläche" bezeichnet) reflektiert, und zu dem Strahlschaltspiegel RM2 konvergiert.

In diesem Zustand wird es dem von Strahlschaltspiegel RM2 reflektierten Licht durch Drehen des Strahlschaltspiegels RM2 im Uhrzeigersinn um &psgr; (Grad) ermöglicht, mit der optischen Achse der ursprünglichen externen Lichtquelle LS zu koinzidieren. Daher wird das Licht zu dem Detektor D konvergiert. Die Ausgabe dieses Zustandes ist definiert als I0.

Um das Probensignal von der Probe zu messen, wird als Nächstes, wenn die Probe T in dem Probenhalter SH ausgewählt ist, das einfallende Licht von der Probe reflektiert, von der Vorderfläche des Sphäroidspiegels E2 reflektiert, und auf den Strahlschaltspiegel RM2 konvergiert. Dem von dem Strahlschaltspiegel RM2 reflektierten Licht wird es durch Drehen des Strahlschaltspiegels RM2 im Gegen-Uhrzeigersinn um im Wesentlichen Y Grade ermöglicht, mit der optischen Achse der ursprünglichen externen Lichtquelle zu koinzidieren, und das Licht wird hierdurch auf den Detektor D konvergiert. In diesem Zustand wird die Ausgabe als Ir definiert. Das Reflexionsvermögen r von der Vorderseite der Probe ist bestimmt als r=Ir/Io.

Beim Messen des Reflexionsvermögens von der Rückseite der Probe wird der Winkel, unter welchem das Licht von der Lichtquelle LS von dem in 5 und 6 entgegen dem Uhrzeigersinn gedrehten Strahlschaltspiegel RM1 empfangen wird, und welches von dem Strahlschaltspiegel RM1 reflektierte einfallende Licht auf die Rückseite des Sphäroidspiegels E1 projiziert wird, als &psgr; (Grad) definiert (5). In diesem Zustand fällt das von der Sphäroid-Fläche reflektierte Licht auf die Rückseite des Probenhalters SH unter einem Einfallswinkel von &thgr; ein.

Um das Hintergrundsignal zu messen, wird die Durchgangsöffnung B in dem Probenhalter SH ausgewählt, und das Licht durchläuft die Durchgangsöffnung in dem Probenhalter SH, wie in 5 gezeigt, und wird von der Vorderfläche des Sphäroidspiegels E2 reflektiert, und auf den Strahlschaltspiegel RM2 konvergiert. In diesem Zustand wird es dem von dem Strahlschaltspiegel RM2 reflektierten Licht durch Drehen des Strahlschaltspiegels RM2 um Y Grad entgegen dem Uhrzeigersinn ermöglicht, mit der optischen Achse der ursprünglichen externen Lichtquelle zu koinzidieren. Daher wird das Licht auf den Detektor D konvergiert. Die Ausgabe in diesem Zustand ist als I'0 definiert.

Um das Probensignal der Probe zu messen, wird als Nächstes die Probe T in dem Probenhalter SH ausgewählt, und das einfallende Licht wird von der Probe T reflektiert, wie in 6 gezeigt, von der Rückfläche des Sphäroidspiegels E2 reflektiert, und auf den Strahlschaltspiegel RM2 konvergiert. In diesem Zustand wird es dem von dem Strahlschaltspiegel RM2 reflektierten Licht durch Drehen des Strahlschaltspiegels RM2 im Uhrzeigersinn um im Wesentlichen Y Grade ermöglicht, mit der ursprünglichen optischen Achse der externen Lichtquelle zu koinzidieren. Daher wird das Licht auf den Detektor D konvergiert. Die Ausgabe dieses Zustandes ist als I'r definiert. Das Reflexionsvermögen r' von der Rückseite der Probe ist zu r'=I'r/I'0 bestimmt. Allgemein gesagt, ist selbst bei einer ausgedehnten Probe, bei welcher beide Seiten spiegelpoliert sind, das Reflexionsvermögen von der Vorderseite nicht gleich dem Reflexionsvermögen von der Rückseite (r≠r').

Als Nächstes wird die Messung des absoluten Transmissionsvermögens von der Vorderseite und des absoluten Transmissionsvermögens von der Rückseite einer transparenten Probe unter Verwendung des optischen Systems beschrieben.

Als erstes wird beim Messen des absoluten Transmissionsvermögens von der Vorderseite der Probe durch Kombinieren der Vorderseite des Sphäroidspiegels E1 mit der Rückseite des Sphäroidspiegels E2 das Licht von der Lichtquelle LS von dem Strahlschaltspiegel RM1 (3) empfangen, und das von dem Strahlschaltspiegel RM1 reflektierte einfallende Licht wird mittels geeigneten Drehens des Strahlschaltspiegels RM1 im Uhrzeigersinn auf die Vorderfläche des Sphäroidspiegels E1 projiziert, und der Winkel in diesem Zustand ist als &psgr; (Grade) definiert. Das von der Sphäroidfläche E1 reflektierte Licht fällt auf die Vorderseite des Probenhalters SH unter einem Einfallswinkel &thgr; ein.

Um das Hintergrundsignal zu messen, wird die Durchgangsöffnung B in dem Probenhalter SH ausgewählt, und das Licht durchläuft die Durchgangsöffnung B des Probenhalters SH, wie in 3 gezeigt, und wird von der Rückfläche des Sphäroidspiegels E2 reflektiert, und vom Schaltspiegel RM2 konvergiert. In diesem Zustand wird es dem von dem Schaltspiegel RM2 reflektierten Licht durch Drehen des Schaltspiegels RM2 im Uhrzeigersinn um &psgr; (Grad) ermöglicht, mit der optischen Achse der ursprünglichen externen Lichtquelle LS zu koinzidieren. Dann wird das Licht auf dem Detektor D konvergiert. Der Ausgang in diesem Zustand ist definiert als I0.

Um das Probensignal der Probe zu messen, wird als Nächstes die Probe T in dem Probenhalter SH ausgewählt und das durch die Probe T transmittierte Licht aus dem einfallenden Licht (siehe 3) wird von der hinteren Fläche des Sphäroidspigels E2 reflektiert, und auf den Strahlschaltspiegel RM2 konvergiert. In diesem Zustand wird es dem von dem Strahlschaltspiegel RM2 reflektierten Licht durch Drehen des Strahlschaltspiegels RM2 im Uhrzeigersinn um im Wesentlichen &psgr; (Grad) ermöglicht, mit der optischen Achse der ursprünglichen externen Lichtquelle zu koinzidieren. Das Licht wird hierdurch auf den Detektor D konvergiert. Die Ausgabe in diesem Zustand ist als It definiert, und das absolute Transmissionsvermögen von der Vorderseite ist bestimmt als t=It/I0.

Zum Messen des absoluten Transmissionsvermögens von der Rückseite der Probe wird durch Kombinieren der Rückseite des Sphäroidspiegels E1 mit der Vorderseite des Sphäroidspiegels E2 das Licht von der Lichtquelle LS von dem Strahlschaltspiegel RM1, welcher, wie in 5 gezeigt, entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht ist empfangen, und das einfallende, von dem Strahlschaltspiegel RM1 reflektierte Licht wird auf die Rückseite des Sphäroidspiegels E1 projiziert. Der Winkel des Strahlschaltspiegels RM1 in diesem Zustand ist als &psgr; (Grad) definiert, und dem von der Sphäroidfläche reflektierten Licht wird es ermöglicht, auf die Rückseite des Probenhalters SH unter dem Einfallswinkel &thgr; einzufallen.

Zum Messen des Hintergrundsignals wird die Durchgangsöffnung B in dem Probenhalter SH ausgewählt, und das Licht läuft durch die Durchgangsöffnung B in dem Probenhalter SH und wird von der Vorderfläche des Sphäroidspiegels E2 reflektiert, und auf den Strahlschaltspiegel RM2 konvergiert. In diesem Zustand wird es dem von dem Strahlschaltspiegel RM2 reflektierten Licht durch Drehen des Strahlschaltspiegels RM2 entgegen Uhrzeigersinn um &psgr; (Grad) ermöglicht, mit der optischen Achse der ursprünglichen externen Lichtquelle zu koinzidieren. Dann wird das Licht auf den Detektor D konvergiert. Die Ausgabe in diesem Zustand ist definiert als I'0.

Zum Messen des Probensignals der Probe wird die Probe T in den Probenhalter SH ausgewählt und das von der Probe transmittierte Licht aus dem einfallenden Licht (5) wird von der Vorderseite des Sphäroidspiegels E2 reflektiert, und auf den Strahlschaltspiegel RM2 konvergiert. In diesem Zustand wird es dem von dem Strahlschaltspiegel RM2 reflektierten Licht durch Drehen des Strahlschaltspiegels RM2 entgegen dem Uhrzeigersinn um im Wesentlichen &psgr; (Grad) ermöglicht, mit der optischen Achse der ursprünglichen externen Lichtquelle LS zu koinzidieren. Dann wird das Licht auf den Detektor D konvergiert. Die Ausgabe in diesem Zustand ist als I't definiert, das absolute Transmissionsvermögen t' von der Rückseite der Probe kann zu t'=I't/I'0 bestimmt werden. Das absolute Transmissionsvermögen von der Vorderseite ist bei einer idealen Probe (t=t') gleich dem absoluten Transmissionsvermögen von der Rückseite.

Bei dem optischen System der zweiten Ausführungsform, welche diesen Bi-Sphäroid-Spiegel E verwendet, kann der Winkel &psgr; des auf dem Strahlschaltspiegel RM1 einfallenden Lichtes innerhalb eines Projektionsbereiches des Sphäroidspiegels E1 verändert werden, der Winkel &thgr; des Einfalls auf die Probe kann auch geändert werden, und der Einfallswinkel kann daher kontinuierlich und willkürlich von ungefähr 1° bis ungefähr 89° geändert werden. Bei Verwenden dieses optischen Systems werden bei einer transparenten Substanz, wie einem Dielektrikum, sowohl das absolute Reflexionsvermögen als auch das absolute Transmissionsvermögen bei einem vorbestimmten Einfallswinkel gemessen, und diese simultanen Gleichungen, welche die zwei Unbekannten Reflexionsindex und Dämpfungskoeffizient (optische Konstanten) enthalten, werden gelöst, um die optischen Konstanten mit exzellenter Genauigkeit zu bestimmen.

Darüber hinaus kann das absolute Reflexionsvermögen unter einem willkürlichen Einfallswinkel gemessen werden, und bei nicht-transparenten Proben, wie Metall, wird das absolute Reflexionsvermögen bei zwei verschiedenen Einfallswinkeln gemessen, und gekoppelte Gleichung, welche die beiden Unbekannten Brechungsindex und Dämpfungskoeffizient (optische Konstanten) enthalten, werden gelöst, um die optischen Konstanten mit exzellenter Genauigkeit zu bestimmen. In diesem Zustand wird zum Verbessern der Messgenauigkeit die Differenz zwischen diesen zwei Einfallswinkeln bevorzugterweise so groß wie möglich gemacht. Zu diesem Zweck werden bevorzugterweise zwei Sätze von Reflexionsvermögen in im Wesentlichen senkrechtem Einfall (innerhalb 10°) beziehungsweise streifendem Einfall (nicht weniger als 80°) gemessen.

Darüber hinaus kann in diesem optischen System die Lichtstreuung von der Probe ebenfalls gemessen werden, indem der Strahlschaltspiegel RM1 fixiert wird, und der oben genannte Winkel &psgr; des Strahlschaltspiegels RM2 verändert wird.

Darüber hinaus ist das optische System in der Lage, den Einfallswinkel der Probe kontinuierlich zu verändern, und das Spektrum zu messen, ohne Beeinflussung durch Mehrfachreflexion innerhalb eines Substrates in einer Komposit-Probe wie einem Dünnfilm auf dem Substrat. Als ein Ergebnis kann die optische Konstante des Dünnfilms mit exzellenter Genauigkeit bestimmt werden.

Dies bedeutet, dass bedingt durch Mehrfachreflexion in dem Substrat bei der Probe des Dünnfilms auf dem Substrat im Allgemeinen ein Streifen in dem Reflexionsspektrum und dem Transmissionsspektrum erscheint. Dieser Streifen bewirkt ein Verschlechtern der Genauigkeit beim Messen der optischen Eigenschaften des dünnen Films mit hoher Genauigkeit. Für die Messung des Spektrums ohne diesen Streifen muss jede Mehrfachreflexion in dem Substrat verhindert werden, und ihr kann abgeholfen werden, indem p-polarisiertem Licht ermöglicht wird, unter dem Brewsterwinkel auf das Substrat einzufallen. Da dieser Brewsterwinkel eine Funktion der Wellenlänge ist, muss der Winkel jedes Mal geändert werden, wenn die Wellenlänge geändert wird. Allerdings kann dieses optische System diesen Vorgang leicht ausführen, und als Resultat kann die optische Konstante des Dünnfilms mit exzellenter Genauigkeit bestimmt werden.

In der zweiten Ausführungsform fallen das s-polarisierte Licht und das p-polarisierte Licht auf eine Dünnfilmprobe und so weiter auf dem Substrat der Probe T des Probenhalters SH auf. Während der Einfallswinkel geändert wird, wird der Polarisationszustand des reflektierten Lichtes gemessen. Eine geeignete Referenzprobe, beispielsweise das Substrat, wird in die Durchgangsöffnung B eingefügt. Dem s-polarisierten Licht und dem p-polarisierten Licht wird es ermöglicht, auf das Substrat einzufallen, während der Einfallswinkel geändert wird. Der Polarisationszustand des reflektierten Lichtes wird gemessen, und die Information über die optische Konstante des Dünnfilms wird aus der Differenz der beiden Polarisationszustände bestimmt.

Wenn darüber hinaus eine transparente Substanz, deren Brechungsindex größer ist als der der Probe, eng an die Probe angefügt wird, und von dem Probenhalter SH gehalten wird, und wenn es dem Licht ermöglicht wird, von der Substanzseite hiervon einzufallen, während der Einfallswinkel geändert wird, tritt basierend auf der Absorption der Probe eine Dämpfung des reflektierten Lichtes auf, wenn der Einfallswinkel größer ist als der Winkel der Totalreflexion. Wenn andererseits das reflektierte Licht gemessen wird, während der Einfallswinkel geändert wird, indem diese Substanz als Referenzprobe in der Durchgangsöffnung B des Probenhalters SH gehalten ist, kann die optische Information und so weiter in der Tiefenrichtung der Probe aus der Differenz zwischen diesen beiden Sätzen von Reflexionsvermögen bestimmt werden.

7 zeigt eine dritte Ausführungsform des optischen Systems zum Messen der optischen Konstante gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese dritte Ausführungsform zeigt die Anordnung des optischen Systems zum Messen der optischen Konstante, bei welchem der Brennpunkt in dem System, welches die externe Lichtquelle LS (beispielsweise Laser- oder Mikrowelle) und den Detektor D aufweist, oder dem optischen System des Dispersions-Typ-Spektralphotometers oder Fourietransformations-Typ-Spektralphotometers nicht koinzident mit den Strahlschaltspiegeln RM1 und RM2 ist.

Dieses optische System zum Messen der optischen Konstante weist auf: zwei Strahlschaltspiegel RM1 und RM2, vier konkave Spiegel CM1, CM2, CM3 und CM4, vier Ergänzungs-Spiegel SM1, SM2, SM3 und SM4 und den Probenhalter SH. Die Konvergiertes-Licht-Reflexions-Vorrichtung und die Empfangenes-Licht-Reflexions-Vorrichtung werden durch Kombinieren der konkaven Spiegel mit den Ergänzungs-Spiegeln gebildet.

Der Aufbau der dritten Ausführungsform wird im Folgenden genauer beschrieben. Diese Ausführungsform hat eine optische Anordnung, in welcher es dem Licht ermöglicht ist, auf die Probe mit einem willkürlichen Einfallswinkel &thgr; einzufallen, und bei welcher der Probenhalter SH am ursprünglichen Brennpunkt des Dispersions-Typ- oder Fourietransformations-Typ- Spektralphotometers angeordnet ist. Zwei Strahlschaltspiegel RM1 und RM2 und der Probenhalter SH sind in einer Reihe entlang der Achse, welche die Einfallseite des optischen Systems mit der Ausfallseite davon verbindet (der ursprünglichen optischen Achse O), angeordnet, und der Strahlschaltspiegel RM1 und der Strahlschaltspiegel RM2 sind auf der Einfallsseite beziehungsweise der Ausfallseite, mit dem Probenhalter SH dazwischen liegend, angeordnet.

Vier konkave Spiegel CM1-CM4 sind in einer X-förmigen Symmetrie mit dem Probenhalter SH im Zentrum, und zu diesem mit gleichem Abstand angeordnet (wobei der Abstand so groß wie, oder etwas kleiner ist als der Krümmungsradius der konkaven Spiegel), so dass es dem Licht ermöglicht ist, auf die Probe unter dem gleichen Einfallswinkel &thgr; von der Vorderbeziehungsweise Rückseite einzufallen, und diese unter dem gleichen Einfallswinkel &thgr; zu verlassen.

Die Richtung der vier Konkavspiegel CM1-CM4 ist so bestimmt, dass der Einfallswinkel &psgr; zu jedem Konkavspiegel kleiner wird. Die vier Ergänzungs-Spiegel SM1-SM4 werden durch Justieren der Position der Ergänzungs-Spiegel derart angeordnet, dass die Brennpunkte, nachdem das Licht von den Schaltspiegeln RM1 und RM2 und den Ergänzungs-Spiegeln SM1-SM4 reflektiert ist, auf der ursprünglichen optischen Achse des Dispersions-Typ- oder Fourietransformations-Typ-Spektralphotometers liegen, und das der Einfallswinkel des Konkavspiegels im Wesentlichen &psgr; ist.

In dieser Anordnung wird das auf dem Strahlschaltspiegel RM1 des optischen Systems zum Messen der optischen Konstante einfallende Licht einmal auf die ursprüngliche optische Achse O konvergiert, und dann wiederum durch die Konkavspiegel CM2 oder CM1 auf die Probenfläche konvergiert. Das von der Probenfläche reflektierte oder durch sie hindurch transmittierte Licht wird wiederum von den Konkavspiegeln CM3 oder CM4 auf die ursprüngliche optische Achse O konvergiert, von dem Strahlschaltspiegel RM2 reflektiert, und verläuft entlang der optischen Achse O des ursprünglichen Dispersions-Typ- oder Fouriertransformations-Typ- Spektralphotometers. Als eine Folge wird in dieser Anordnung die chromatische Abberation durch die Spiegel klein, und die hochgenaue Messung kann nicht nur mit den Ellipsoid-Spiegeln, sondern auch mit den Konkavspiegeln CM1-CM4 ausgeführt werden.

Der Probenhalter SH hat im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie der in der ersten oder zweiten Ausführungsform. Er kann ebenfalls in einer gekoppelten Weise mit dem Strahlschaltspiegeln RM1 und RM2 betrieben werden.

In dem optischen System zum Messen der optischen Konstante gemäß der dritten Ausführungsform mit dem oben genannten Aufbau kann das absolute Reflexionsvermögen der Probe für Vorderseiteneinfall und Rückseiteneinfall wie folgt gemessen werden.

Als erstes wird das absolute Reflexionsvermögen von der Vorderseite, welche durch Kombinieren der Konkavspiegel CM1, CM4 und CM3 bestimmt wird, als r definiert, und das absolute Reflexionsvermögen von der Rückseite, durch Kombinieren der Konkavspiegel CM2, CM3 und CM4 ist als r' definiert.

Beim Messen des absoluten Reflexionsvermögens von der Vorderseite der Probe wird Licht von der Lichtquelle LS des Spektralphotometers und so weiter von dem Strahlschaltspiegel RM1 empfangen, zu dem Ergänzungs-Spiegel SM2 transmittiert und zu dem Konkavspiegel CM1 weiter transmittiert. Der Konkavspiegel CM1 konvergiert dieses Licht auf den Probenhalter SH. Zum Messen des Hintergrundsignals wird die Durchgangsöffnung B in dem Probenhalter SH ausgewählt, alles Licht wird vom Konkavspiegel CM4 konvergiert, zu dem Ergänzungsspiegel SM3 transmittiert und weiter zu dem Strahlschaltspiegel RM2 transmittiert, um es dem reflektierten Licht des Strahlschaltspiegels RM2 zu ermöglichen, mit der ursprünglichen optischen Achse O des Spektralphotometers zu koinzidieren. Das Licht wird daher auf den Detektor D konvergiert. Die Ausgabe in diesem Zustand ist als I0 definiert.

Um das Probensignal der Probe zu messen, wird als Nächstes die Probe T in dem Probenhalter SH ausgewählt, das einfallende Licht wird von der Probe T reflektiert und zu dem Konkavspiegel CM3 transmittiert. Der Konkavspiegel CM3 konvergiert dieses Licht, transmittiert es zu dem Ergänzungsspiegel SM4, transmittiert es weiter zu dem gedrehten Strahlschaltspiegel RM2 und ermöglicht es dem reflektierten Licht des Strahlschaltspiegels RM2, mit der ursprünglichen optischen Achse O des Spektralphotometers koinzident zu sein. Das Licht wird dann auf den Detektor konvergiert. Die Ausgabe dieses Zustandes ist definiert als Ir. Das absolute Reflexionsvermögen von der Vorderseite der Probe ist bestimmt zu r=Ir/I0.

Als Nächstes wird die Messung des absoluten Reflexionsvermögens von der Rückseite der Probe beschrieben. Das Licht von der Lichtquelle LS des Spektralphotometers und so weiter wird vom gedrehten Strahlschaltspiegel RM1 empfangen, zu dem Ergänzungsspiegel SM1 transmittiert, und weiter zu dem Konkavspiegel CM2 transmittiert. Der Konkavspiegel CM2 konvergiert dieses Licht auf den Probenhalter SH. Um das Hintergrundsignal zu messen, wird die Durchgangsöffnung B in dem Probenhalter SH ausgewählt, alles von dem Konkavspiegel CM3 konvergierte Licht wird zu dem Ergänzungsspiegel SM4 transmittiert, weiter zu dem Strahlschaltspiegel RM2 transmittiert, um es dem reflektierten Licht des Strahlschaltspiegels RM2 zu erlauben, mit der ursprünglichen optischen Achse O des Spektralphotometers überein zu stimmen. Daher wird das Licht auf den Detektor D konvergiert. Die Ausgabe dieses Zustandes ist definiert als I'0.

Um das Probensignal der Probe zu messen, wird die Probe T in dem Probenhalter SH ausgewählt, und das einfallende Licht wird von der Probe T reflektiert und zu dem Konkavspiegel CM4 transmittiert. Der Konkavspiegel CM4 konvergiert dieses Licht, transmittiert es zu dem Ergänzungsspiegel SM3, transmittiert es weiter zu dem gedrehten Strahlschaltspiegel RM2 und ermöglicht es dem reflektierten Licht des Strahlschaltspiegels RM2, mit der ursprünglichen optischen Achse O des Spektralphotometers koinzident zu sein. Das Licht wird daher auf den Detektor D konvergiert. Die Ausgabe dieses Zustandes ist definiert als I'r. Das absolute Reflexionsvermögen r' von der Rückseite der Probe ist zu r'=I'r/I'0 bestimmt. Allgemein ausgedrückt ist selbst bei einer ausgedehnten Probe, bei der beide Seiten spiegelpoliert sind, das absolute Reflexionsvermögen der Vorderseite nicht gleich dem absoluten Reflexionsvermögen von der Rückseite (r≠r').

Als Nächstes wird die Messung des absoluten Transmissionsvermögens von der Vorderseite der transparenten Probe und das absolute Transmissionsvermögen von der Rückseite hiervon unter Verwendung dieses optischen Systems zum Messen der optischen Konstante beschrieben.

Als Erstes wird unter Verwendung des Konkavspiegels CM1 und des Konkavspiegels CM4 die Lichtintensität an der Durchgangsöffnung B beziehungsweise der Probe T gemessen, und das absolute Transmissionsvermögen t von der Vorderseite wird aus dem Verhältnis hiervon bestimmt.

Insbesondere wird das Licht von der Lichtquelle LS des Spektralphotometers und so weiter von dem Strahlschaltspiegel RM1 empfangen, zu dem Ergänzungsspiegel SM2 transmittiert, und weiter zu dem Konkavspiegel CM1 transmittiert. Der Konkavspiegel CM1 konvergiert dieses Licht zu dem Probenhalter SH. Um das Hintergrundsignal zu bestimmen, wird die Durchgangsöffnung B in dem Probenhalter SH ausgewählt, alles Licht wird von dem Konkavspiegel CM4 konvergiert, zu dem Ergänzungsspiegel SM3 transmittiert, weiter transmittiert zu dem Strahlschaltspiegel RM2, um es dem von dem Strahlschaltspiegel RM2 reflektierten Licht zu ermöglichen, mit der ursprünglichen optischen Achse O des Spektralphotometers zu koinzidieren. Daher wird das Licht auf den Detektor konvergiert. Die Ausgabe dieses Zustandes ist definiert als I0.

Um das Probensignal der Probe zu messen, wird als Nächstes die Probe T in dem Probenhalter SH ausgewählt, das durch die Probe T transmittierte Licht des einfallenden Lichtes wird von dem gleichen Konkavspiegel CM4 konvergiert, zu dem Ergänzungsspiegel SM3 transmittiert, weiter zu dem Strahlschaltspiegel RM2 transmittiert, um es dem reflektierten Licht des Strahlschaltspiegels RM2 zu ermöglichen, mit der ursprünglichen optischen Achse O des Spektralphotometers zu koinzidieren. Dann wird das Licht auf den Detektor D konvergiert. Die Ausgabe dieses Zustandes ist als It definiert. Das absolute Transmissionsvermögen t von der Vorderseite der Probe kann bestimmt werden als t=It/I0.

Als Nächstes wird die Lichtintensität der Durchgangsöffnung beziehungsweise der Probe unter Verwendung des Konkavspiegels CM2 und des Konkavspiegels CM3 gemessen, und das absolute Transmissionsvermögen t' von der Rückseite wird aus dem Verhältnis hiervon bestimmt.

Insbesondere wird das Licht von der Lichtquelle LS des Spektralphotometers und so weiter von dem Strahlschaltspiegel RM1 empfangen, zu dem Ergänzungsspiegel SM1 transmittiert und weiter zu dem Konkavspiegel CM2 transmittiert. Der Konkavspiegel CM2 konvergiert dieses Licht zu dem Probenhalter SH. Um das Hintergrundssignal zu messen, wird die Durchgangsöffnung B in dem Probenhalter SH ausgewählt und das Licht wird von dem Konkavspiegel CM3 konvergiert, zu dem Ergänzungsspiegel SM4 transmittiert, weiter zu dem Strahlschaltspiegel RM2 transmittiert, um es dem reflektierten Licht des Strahlschaltspiegels RM2 zu erlauben, mit der ursprünglichen optischen Achse O des Spektralphotometers zu koinzidieren. Dann wird das Licht auf den Detektor konvergiert. Die Ausgabe dieses Zustandes ist definiert als I'0.

Um das Probensignal der Probe zu messen, wird die Probe T in dem Probenhalter SH ausgewählt, und das durch die Probe transmittierte Licht aus dem einfallende Licht wird von dem gleichen konkaven Spiegel CM3 konvergiert, zu dem Ergänzungsspiegel SM4 transmittiert, weiter zu dem Strahlschaltspiegel RM2 transmittiert, um es dem von dem Strahlschaltspiegel RM2 reflektierten Licht zu ermöglichen, mit der ursprünglichen optischen Achse O des Spektralphotometers zu koinzidieren. Dann wird das Licht auf den Detektor D konvergiert. Die Ausgabe in diesem Zustand ist definiert als I't. Das absolute Transmissionsvermögen t' von der Rückseite der Probe kann bestimmt werden als t'=I't/I'0. Das absolute Transmissionsvermögen von der Vorderseite ist bei einer idealen Probe (t=t') gleich dem absoluten Transmissionsvermögens von der Rückseite.

8 zeigt eine dritte Ausführungsform des optischen Systems zum Messen der optischen Konstante gemäß der vorliegenden Erfindung.

Diese vierten Ausführungsform gibt die Anordnung des optischen Systems an, bei welchem der Brennpunkt des Systems, welches eine externe Lichtquelle LS (beispielsweise Laser oder Mikrowelle) und einen Detektor D aufweist, oder von dem optischen System des Dispersions-Typ-Spektralphotometers oder des Fourietransformations-Typ-Spektralphotometers, koinzident ist mit jedem Strahlschaltspiegel, und die Basisanordnung hiervon ist im Wesentlichen dahin gehend die gleiche wie die der dritten Ausführungsform, dass dieses optische System zwei Strahlschaltspiegel RM1 und RM2 , vier Konkavspiegel CM1, CM2, CM3 und CM4, vier Ergänzungsspiegel SM1, SM2, SM3 und SM4 und den Probenhalter SH aufweist, aber dieses optische System weicht von dem der dritten Ausführungsform dahingehend ab, dass das Licht auf den Strahlschaltspiegel RM1 beziehungsweise den Strahlschaltspiegel RM2 konvergiert ist.

Insbesondere sind in dieser vierten Ausführungsform vier konkave Spiegel CM1-CM4 in einer X-förmigen Symmetrie mit gleichem Abstand angeordnet (wobei der Abstand gleich ist oder etwas kleiner ist als der Krümmungsradius der Konkavspiegel) unter dem Einfallswinkel &thgr; in Bezug auf den Probenhalter SH.

Darüber hinaus ist die Richtung der vier Konkavspiegel CM1-CM4 derart bestimmt, das der Einfallswinkel &psgr; jedes Konkavspiegels kleiner wird. Das Licht von der Lichtquelle LS des Dispersions-Typ- oder Fouriertransformations-Typ-Spektralphotometers und so weiter wird zuerst auf dem ersten Strahlschaltspiegel RM1 konvergiert.

Der Ergänzungsspiegel SM2 ist so angeordnet, dass die optische Weglänge von dem Strahlschalspiegel RM1 über dem Konkavspiegel SM2 zu dem Ergänzungsspiegel CM1 gleich der optischen Weglänge von dem Konkavspiegel CM1 zu dem Probenhalter SH ist, und der Einfallswinkel bezüglich des Konkavspiegels im Wesentlichen &psgr; ist. Die verbleibenden Ergänzungsspiegel SM2, SM3 und SM4 sind ähnlich angeordnet.

In dieser Anordnung wird das auf dem Strahlschaltspiegel RM1 konvergierte Licht zuerst wiederum auf die Probe konvergiert, nachdem es die Ergänzungsspiegel SM2 oder SM1 und die Konkavspiegel CM1 oder CM2 passiert hat. Das von der Probenfläche reflektierte oder durch sie transmittierte Licht wird nach Passieren der Konkavspiegel CM3 oder CM4 und der Ergänzungsspiegel SM4 oder SM3 konvergiert.

Der Strahlschaltspiegel RM2 ist in geeigneter Position angeordnet und das von den Strahlschaltspiegel RM2 reflektierte Licht verläuft entlang der ursprünglichen optischen Achse O des Dispersions-Typ- oder Fouriertransformations-Typ-Spektralphotometers. Als ein Resultat ist in dieser Anordnung die chromatische Abberation durch die Spiegel reduziert, und die hochgenauer Messung kann nicht nur mit Ellipsoid-Spiegeln, sondern auch mit den Konkavspiegeln CM1-CM4 ausgeführt werden.

Die Anordnung des Probenhalters SH ist im Wesentlichen ähnlich der der oben genannten Ausführungsform, und der Betrieb kann in einer mit den Strahlschaltspiegeln RM1 und RM2 gekoppelten Weise ausgeführt werden. In dieser Anordnung können das absolute Reflexionsvermögen und das absolute Transmissionsvermögen in der gleichen Weise ausgeführt werden, wie in der dritten Ausführungsform erwähnt.

Bei jeder der oben genannten Ausführungsformen ist beschrieben, dass die Lichtquelle LS eine Laser-, Mikrowellen-Quelle oder Lichtquellen des Dispersions-Typ-Spektralphotometers oder Fourietransformations-Typ-Spektralphotometer aufweisen kann.

9 illustriert die Form des optischen Systems 1 zum Messen der optischen Konstante der obigen Ausführungsform, eingebaut in das Spektralphotometer 2. Das optische System 1 zum Messen der optischen Konstante kann irgendeines von den oben genannten Ausführungsformen sein, und das Spektralphotometer 2 kann irgendein marktübliches Spektralphotometer sein, oder eines, welches derart ausgebildet ist, dass es das optische System 1 ausbilden kann. Das optische System 1 ist derart an das Spektralphotometer 2 angepasst, dass die optische Achse des einfallenden Lichtes 3a mit der optischen Achse eines Lichtquellenteils 2a des Spektralphotometers 2 ausgerichtet ist, und die optische Achse des auslaufenden Lichtes 3b fluchtet mit der optischen Achse der Detektionseinheit 2b des Spektralphotometers 2.

Die vorliegende Erfindung ist mit Bezug auf die oben genannten Ausführungsformen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist allerdings nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, und es ist selbstverständlich, dass die Ausführungsformen innerhalb des technischen Bereiches der Ansprüche willkürlich modifiziert werden können.

Im Folgenden werden experimentelle Beispiele gemäß der dritten Ausführungsform beschrieben.

Resultat der Messung:

10 zeigt das Resultat von Transmissionsvermögens-Messungen der reinen Siliziumprobe bei Raumtemperatur. Zwei durchgezogene Linien in der Figur (beinahe überlappend) stellen das Transmissionsvermögen für Vorderseiteneinfall beziehungsweise für Rückseiteneinfall (T(FB) und T(BF)) dar. Die Punkte stellen gemäß einem Datenbuch berechnete Transmissionsvermögen dar. Als Resultat ist verständlich, dass das Transmissionsvermögen innerhalb des Messfehlers von ±0,4 gemessen werden kann. Diese exzellente Übereinstimmung bedeutet, das Kombinieren des gleichen optischen Pfades und der gleichen Spiegel für das Hintergrundsignal und das Probensignal bei jeder Transmissionsvermögens-Messung angewendet wird.

11 zeigt das Resultat der Reflexionvermögens-Messung der gleichen Probe im gleichen Mess-System. Die oberen und unteren durchgezogenen Linien in der Figur stellen das Reflexionsvermögen des Vorderseiteneinfalls und des Rückseiteneinfalls (R(FF) und R(BB)) dar. In diesem Fall weicht das Reflexionsvermögen des Vorderseiteneinfalls wesentlich von der Reflexionsvermögen des Rückseiteneinfalls (±8%) ab. Der Grund hierfür wird im Folgenden beschrieben. Bei der Beschreibung wird unten auch eingeführt, wie das geometrische Mittel der Reflexionsvermögen erhalten wird. Die durchgezogene Linie in der Nähe des Zentrums gibt dieses Geometrisches-Mittel-Reflexionsvermögen (R(S)) an. Die Punkte geben die gemäß einem Datenbuch berechneten Daten an. Diese Geometrisches-Mittel-Reflexionsvermögen und die von den Punkten angegebene Reflexionsvermögen stimmen innerhalb des Messwertes von ±0,4% miteinander überein.

Beim Messen der zwei Sätze von Reflexionsvermögen für den Vorderseiteneinfall und den Rückseiteneinfall sind die Messfehler mit ungefähr ±8% verhältnismäßig groß. Dies geht im Wesentlichen auf vier unten beschriebene Gründe zurück.

  • (1) Das von der Lichtquelle des marktüblichen Spektralphotometers auf den Strahlschaltspiegel RM1 einfallende Licht weicht von der zentralsymmetrischen Gestalt des Gauß'schen Strahles ab, und wenn dieses Licht auf den Spiegel des optischen Systems zum Messen der optischen Konstante einfällt, wird ein Teil des Lichtes von der Spiegelfläche abgelenkt, und nicht von ihr reflektiert, was in Verlusten resultiert.
  • (2) Durch Einbringen einer großen Anzahl an Spiegeln in das optische System zum Messen der optischen Konstante wird ein Teil des optischen Pfades von anderen Spiegeln abgeschirmt, was in Verlusten resultiert.
  • (3) Beim Messen des Reflexionsvermögens werden verschiedene Sätze von Spiegeln bei der Hintergrundmessung und bei der Probenmessung verwendet, und das Reflexionsvermögen dieser Spiegel ist nicht gleich.
  • (4) Der Durchmesser des auf dem Detektor konvergierten Strahles ist größer als der Durchmesser der Licht-empfangenden Fläche des Detektors des marktüblichen Spektralphotometers, was in Verlusten resultiert.

Aufgrund des oben angegebenen Grundes (3) wird das Reflexionsvermögen jedes Spiegels und der Probe in 7 als R(RM1), R(RM2), R(SM1), R(SM2), R(SM3), R(SM4), R(CM1), R(CM2), R(CM3), R(CM4) beziehungsweise R(S) bezeichnet. Die Reflexionsvermögen der Spiegel in der Detektoreinheit 12b in 9 ist mit R(2) bezeichnet.

Darüber hinaus ist für die oben genannten Gründe (1), (2) und (4) das Verhältnis der Lichtleistung, welche den Probenhalter SH über die Spiegel RM1, SM21 und CM1 erreicht zu der Lichtleistung (Pin), welche auf den Strahlschaltspiegel RM1 in 7 einfällt, als L1F definiert, und das Verhältnis der Lichtleistung, welche den Probenhalter SH über Spiegel RM1, SM1 und CM2 erreicht zu Pin in 7 als L1B definiert.

Ferner ist das Verhältnis der Lichtleistung, welche den Detektor D über die Spiegel CM3, SM4 und RM2 in der Detektionseinheit 2b in 9 erreicht, zu der Lichtleistung, welche auf dem Probenhalter SH einfällt, als L2F definiert, und das Verhältnis der Lichtleistung, welche den Detektor D über die Spiegel CM4, SM3 und RM2 in der Detektionseinheit 2b in 9 erreicht, zu der Lichtleistung, welche auf dem Probenhalter SH einfällt, ist als L2B definiert.

Die Ausgabe I0 der Messung des Hintergrundsignals für den Vorderseiteneinfall wird durch die folgende Formel ausgedrückt. I0 = Pin × R(RM1) × R(SM2) × R(CM1) × LiF × R(CM4) × R(SM3)× R(RM2) × L2B × R(2)

Andererseits ist die Ausgabe I'0 der Messung des Hintergrundsignals für den Rückseiteneinfall in ähnlicher Weise durch die folgende Formel ausgedrückt: I'0 = Pin × R (RM1) × R (SM1) × R (CM2) × L1B × R (CM3) × R (SM4) × R(RM2) × L2F × R(2)

Die Ausgabe Ir der Messung des reflektierten Probensignals für den Vorderseiteneinfall wird durch die folgende Formel ausgedrückt: Ir = Pin × R(RM1) × R(SM2) × R(CM1) × L1F × R(S) × R(CM3) × R(SM4) × R(RM2) × L2F × R(2)

Die Ausgabe I'r der Messung des reflektierten Probensignals für den Rückseiteneinfall wird in ähnlicher Weise durch die folgende Formel ausgedrückt: Ir' = Pin × R(RM1) × R(SM1) × R(CM2) × L1B × R(S) × R(CM4) × 1(SM3) × R(RM2) × L2B × R(2)

Das Reflexionsvermögen R(FF) des Vorderseiteneinfalls ist definiert als das Verhältnis von Ir zu

und die folgende Formel wird erhalten.

Andererseits ist das Reflexionsvermögen R(BB) für den Rückseiteneinfall definiert als das Verhältnis von I'r zu

und die folgende Formel wird erhalten:

Hieraus resultiert, allgemein ausgedrückt, R(FF)1R(BB). Das Produkt von RIFF) mal R(BB) ist gleich R(S)2. Daher wird das absolute Reflexionsvermögen R(S) der Probe als das geometrische Mittel von zwei Sätzen von tatsächlich gemessenen Reflexionsvermögen bestimmt, und durch die folgende Formel ausgedrückt:

R(FF), R(BB) und R(S) in 11 werden aus den Formeln (1), (2) beziehungsweise (3) bestimmt.

Bei des Reflexionsvermögen-Messung, bei welcher das optische System zum Messen der optischen Konstante in ein marktübliches Spektralphotometer eingebaut ist, werden Lichtverluste aufgrund der oben genannten Gründe erzeugt, und zwei Sätze von Reflexionsvermögen R(FF) und R(BB), welche von dem Vorderseiteneinfall und dem Rückseiteneinfall einer gleichförmigen Probe gemessen werden, weichen im Allgemeinen voneinander ab. Hier wird die folgende Funktion IF eingeführt, welche als eine Wurzel des Verhältnisses von dem Reflexionsvermögen R(FF) für den Vorderseiteneinfall zu dem Reflexionsvermögen R(BB) für den Rückseiteneinfall einer gleichförmigen Probe definiert ist.

Diese Funktion ist von den optischen Eigenschaften der Probe unabhängig und wird als eine Apparatefunktion bezeichnet.

Das absolute Reflexionsvermögen RF(S) für Vorderseiteneinfall der Probe wird unter Verwendung der Apparatefunktion der Formel (4) unten dargestellt.

Das absolute Reflexionsvermögen RB(S) des Rückseiteneinfalls ist unten dargestellt. RB(S) = RB(S) = R(BB)·IF

Im Fall einer gleichförmigen Probe sind diese beiden Sätze von absoluten Reflexionsvermögen RF(S) und RB(S) einander gleich. Andererseits sind im Fall einer nichtgleichförmigen Probe (beispielsweise einer Dünnfilmprobe auf dem Substrat) RF(S) und RB(S) im Allgemeinen unterschiedlich voneinander, und die optische Konstante des Dünnfilms und die Dicke des Dünnfilms können bestimmt werden, indem gleichzeitig drei Messergebnisse, dass heißt diese beiden Messergebnisse RF(S) und RB(S) und das Resultat der Messung des absoluten Transmissionsvermögens erfüllt werden.

Wie oben beschrieben, kann die Messzeit durch das optische System zum Messen der optischen Konstante gemäß jeder der oben genannten Ausführungsform gegenüber dem herkömmlichen optischen Mess-System auf die Hälfte reduziert werden, weil es kein "Ersetzen" gibt. Dementsprechend muss die Probe nicht angebracht/entfernt werden, die Reproduzierbarkeit der Mess-Spektren ist exzellent, und die Messgenauigkeit kann verbessert werden. Darüber hinaus kann das absolute Reflexionsvermögen und das absolute Transmissionsvermögen gemessen werden ohne irgendeine Standardprobe zu verwenden.

Darüber hinaus kann in diesem optischen System zum Messen der optischen Konstante jeder der Messfehler aus der Differenz zwischen zwei Sätzen von absoluten Reflexionsvermögen (RF(S) und RB(S)) und der Differenz zwischen den zwei absoluten Transmissionsvermögen (t und t') im Fall der gleichförmigen Probe abgeschätzt werden. Aus dieser Fehlerinformation kann festgestellt werden, dass die optische Messung korrekt ausgeführt wird.


Anspruch[de]
  1. Optisches System zum Messen der optischen Konstante,

    wobei ein erster und ein zweiter optischer Pfad eingerichtet sind, welche sich miteinander auf einem Probenhalter kreuzen, eine Probeneinpassöffnung oder eine Durchgangsöffnung selektiv durch Vorschieben/Zurückziehen der Probeneinpassöffnung oder der Durchgangsöffnung zu/von einer Kreuzung beider optischer Pfade in dem Probenhalter positioniert ist;

    wobei der erste und der zweite optische Pfad durch Projizieren des Lichtes derart ausgebildet sind, dass das Licht, von einem einfallsseitigem Strahlschaltspiegel kommend, welcher zum selektiven Schalten der Richtung des Lichtes von einer Lichtquelle zu der Seite der ersten oder der zweiten Konvergierendes-Licht-Reflexions-Vorrichtung und über die erste oder zweite Konvergierendes-Licht-Reflexions-Vorrichtung verlaufend auf die Kreuzung zu konvergiert wird;

    wobei eine erste und eine zweite Empfangenes-Licht-Reflexions-Vorrichtung zum Projizieren des Lichtes zu einem einzelnen ausgangsseitigen Strahlschaltspiegel entlang dem optischen Pfad des Lichtes angeordnet sind, welches Licht von einer in der Probeneinpassöffnung des Probenhalters eingesetzten Probe oder der Durchgangsöffnung entlang dem ersten oder zweiten optischen Pfad reflektiert oder transmittiert wird, und wobei der ausgangsseitige Strahlschaltspiegel dazu geeignet ist, die Richtung des über die Empfangenes-Licht-Reflexions-Vorrichtung projizierten Lichtes derart zu schalten, dass das Licht auf einen Einzeldetektor zu projiziert wird; und

    wobei das absolute Reflexionsvermögen und das absolute Transmissionsvermögen des Vorderseiteneinfalls und des Rückseiteneinfalls der Probe hierdurch gemessen werden können.
  2. Optisches System zum Messen der optischen Konstante gemäß Anspruch 1,

    wobei die erste und die zweite Konvergierendes-Licht-Reflexions-Vorrichtung beziehungsweise die erste und die zweite Empfangenes-Licht-Reflexions-Vorrichtung Ellipsoid-Spiegel sind; und

    wobei jeder der Ellipsoid-Spiegel derart angeordnet sein kann, dass ein Brennpunkt auf dem Probenhalter angeordnet ist, der andere Brennpunkt auf der optischen Achse des einfallenden oder ausfallenden Lichtes angeordnet ist, und dass die optischen Achsen der optischen Pfade in einer einzigen Ebene liegen.
  3. Optisches System zum Messen der optischen Konstante gemäß Anspruch 2, wobei jeder Ellipsoidspiegel in einer X-förmigen Symmetrie zu der Ebene angeordnet ist, welche eine Probenfläche enthält.
  4. Optisches System zum Messen der optischen Konstante gemäß Anspruch 1,

    wobei die Konvergierendes-Licht-Reflexions-Vorrichtung beziehungsweise die Empfangenes-Licht-Reflexions-Vorrichtung einen ersten und einen zweiten Sphäroidspiegel enthält;

    wobei die Sphäroidspiegel an jeweiligen Öffnungen hiervon derart miteinander gekoppelt sind, dass die Rotationsachsen beziehungsweise einer der Brennpunkte hiervon miteinander übereinstimmen;

    wobei der Probenhalter an einer gemeinsamen Brennpunktposition des Sphäroidspiegels angeordnet ist, und ein einfallsseitiger Strahlschaltspiegel und ein ausgangsseitiger Strahlschaltspiegel an zwei verbleibenden Brennpunkten angeordnet sind; und

    wobei eine eingangsseitige Durchgangsöffnung auf der Eingangsseite des ersten Sphäroidspiegels geöffnet ist, beziehungsweise eine ausgangsseitige Durchgangsöffnung auf der Ausgangsseite des zweiten Sphäroidspiegels geöffnet ist.
  5. Ein optisches System zum Messen der optischen Konstante gemäß Anspruch 4, wobei zwei Strahlschaltspiegel in einer korrelierten Weise miteinander drehbar sind, und das absolute Reflexionsvermögen und das absolute Transmissionsvermögen unter einem beliebigen Einfallswinkel gemessen werden kann.
  6. Ein optisches System zum Messen der optischen Konstante gemäß Anspruch 4, wobei der Strahlschaltspiegel auf der Ausgangsseite eigenständig drehbar ist, um die Lichtstreuung von der Probe zu messen.
  7. Ein optisches System zum Messen der optischen Konstante gemäß Anspruch 4, wobei das auf eine Dünnfilmprobe auf einem Substrat einfallende Licht p-polarisiertes Licht ist, und der Winkel des Einfalls auf die Probe durch Setzen des Rotationswinkels von zwei Strahlschaltspiegeln auf den Brewsterwinkel bezüglich des Substrates gesetzt werden kann.
  8. Optisches System zum Messen der optischen Konstante gemäß Anspruch 1,

    wobei die Konvergierendes-Licht-Reflexions-Vorrichtung und die Empfangenes-Licht-Reflexions-Vorrichtung durch Kombinieren von Konkavspiegeln mit Ergänzungs-Spiegeln gebildet sind;

    wobei der Konkavspiegel und der Ergänzungs-Spiegel, welche die Konvergierendes-Licht-Reflexions-Vorrichtung bilden, derart angeordnet sind, dass das Licht von dem eingangsseitigen Strahlschaltspiegel über den Ergänzungsspiegel zu dem Konkavspiegel projiziert wird, und zu dem Probenhalter projiziert wird; und

    wobei der Konkavspiegel und der Ergänzungsspiegel, welche die Empfangenes-Licht-Reflexions-Vorrichtung bilden, derart angeordnet sind, dass das Licht von dem Probenhalter über den Konkavspiegel auf den Ergänzungsspiegel projiziert wird, und auf den ausgangsseitigen Strahlschaltspiegel projiziert wird.
  9. Optisches System zum Messen der optischen Konstante gemäß Anspruch 8, wobei jeder Konkavspiegel in einer X-förmigen Symmetrie zu der Ebene angeordnet ist, welche die Probenfläche enthält.
  10. Optisches System zum Messen der optischen Konstante gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dazu geeignet, in ein Dispersions-Typ-Spektralphotometer oder ein Fourietransformations-Typ-Spektralphotometer eingebaut zu werden.
  11. Optisches System zum Messen der optischen Konstante,

    wobei ein erster und ein zweiter optischer Pfad eingerichtet sind, welche sich auf einem Probenhalter kreuzen, eine Probeneinpassöffnung oder eine Referenzprobeneinpassöffnung in dem Probenhalter durch Vorschieben/Zurückziehen der Probeneinpassöffnung oder der Reflexionsprobeneinpassöffnung zu/von einer Kreuzung beider optischer Pfade selektiv positioniert ist;

    wobei der erste und der zweite optische Pfad durch Projizieren des Lichtes derart ausgebildet sind, dass dieses Licht, von einem einfallsseitigem Strahlschaltspiegel kommend, welcher zum selektiven Schalten der Richtung des Lichtes von einer Lichtquelle zu der Seite der ersten oder zweiten Konvergierendes-Licht-Reflexions-Vorrichtung und über die erste oder zweite Konvergierendes-Licht-Reflexions-Vorrichtung verlaufend auf die Kreuzung zu konvergiert wird;

    wobei eine erste und eine zweite Empfangenes-Licht-Reflexions-Vorrichtung zum Projizieren des Lichtes zu einem einzelnen ausgangsseitigen Strahlschaltspiegel entlang dem optischen Pfad des Lichtes angeordnet sind, welches Licht von einer in dem Probenhalter eingesetzten Probe oder Referenzprobe entlang dem ersten oder zweiten optischen Pfad reflektiert oder transmittiert wird, und wobei der ausgangsseitige Strahlschaltspiegel dazu geeignet ist, die Richtung des über die Empfangenes-Licht-Reflexions-Vorrichtung projizierten Lichtes derart zu schalten, dass das Licht auf einen Einzeldetektor zu projiziert wird; und

    wobei die Konvergierendes-Licht-Reflexions-Vorrichtung und die Empfangenes-Licht-Reflexions-Vorrichtung einen ersten und einen zweiten Sphäroidspiegel aufweisen;

    wobei die Sphäroidspiegel an jeweiligen Öffnungen hiervon miteinander gekoppelt sind, so dass die Rotationsachsen beziehungsweise einer der Brennpunkte hiervon mit einander koinzidieren;

    wobei der Probenhalter in einem gemeinsamen Brennpunkt der Sphäroidspiegel angeordnet ist, und ein eingangsseitiger Strahlschaltspiegel und ein ausgangsseitiger Strahlschaltspiegel in zwei verbleibenden Brennpunkten angeordnet sind; und

    wobei eine eingangsseitige Durchgangsöffnung auf der Eingangsseite des ersten Sphäroidspiegels geöffnet ist, beziehungsweise eine ausgangsseitige Durchgangsöffnung auf der Ausgangsseite des zweiten Sphäroidspiegels geöffnet ist; und

    wobei die zwei Strahlschaltspiegel in einer korrelierten Weise miteinander drehbar sind, und das Reflexionsvermögen und das Transmissionsvermögen hierdurch bei einem willkürlichen Einfallswinkel gemessen werden können.
Es folgen 12 Blatt Zeichnungen






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