(57)【要約】【課題】  被検体の広範囲な複屈折の測定を高精度に行うことができる測定装置及び方法を提供する。【解決手段】  被検体を通過した被検光と参照光とを干渉させて前記被検体の透過波面を測定する干渉計を備え、前記被検体の複屈折を測定する測定装置であって、フリンジスキャンを利用して前記被検体の瞳面内の偏光特性行列を測定する偏光特性測定手段を有することを特徴とする測定装置を提供する。【選択図】          図１
2006214856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体を通過した被検光と参照光とを干渉させて前記被検体の透過波面を測定する干渉計を備え、前記被検体の複屈折を測定する測定装置であって、
フリンジスキャンを利用して前記被検体の瞳面内の偏光特性行列を測定する偏光特性測定手段を有することを特徴とする測定装置。
【請求項２】
被検体を通過した被検光と参照光とを干渉させて前記被検体の透過波面を測定する干渉計を備え、前記被検体の複屈折を測定する測定装置であって、
前記参照光の光路を遮断して前記被検体の瞳面内の偏光特性行列を測定する偏光特性測定手段を有することを特徴とする測定装置。
【請求項３】
被検体を通過した被検光と参照光と干渉させて前記被検体の透過波面を測定する干渉計を備え、前記被検体の複屈折を測定する測定装置であって、
空間フィルターを移動させて前記参照光を遮光し、前記被検体の瞳面内の偏光特性行列を測定する偏光特性測定手段を有することを特徴とする測定装置。
【請求項４】
前記偏光特性測定手段は、
前記被検光に所定の位相遅延量を与える波長板と、
前記波長板を通過した被検光から任意の方向の直線偏光成分のみを取り出す偏光子と、
前記被検光と前記参照光とを分離する分離手段とを有することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の測定装置。
【請求項５】
前記波長板は、λ／４板であることを特徴とする請求項４記載の測定装置。
【請求項６】
前記偏光子は、ローションプリズムであることを特徴とする請求項４記載の測定装置。
【請求項７】
前記偏光特性測定手段は、前記被検光の光路中に挿脱可能な直入射反射ミラーを有することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の測定装置。
【請求項８】
前記偏光特性行列は、ジョーンズ行列であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の測定装置。
【請求項９】
被検体を通過した被検光と参照光とを干渉させて前記被検体の透過波面を測定する干渉計を用いて前記被検体の複屈折を測定する測定方法であって、
フリンジスキャンを利用して前記被検体の瞳面内の偏光特性行列を測定するステップと、
前記測定ステップで測定した前記偏光特性行列から前記被検体の複屈折を算出するステップとを有することを特徴とする測定方法。
【請求項１０】
被検体を通過した被検光と参照光とを干渉させて前記被検体の透過波面を測定する干渉計を用いて前記被検体の複屈折を測定する測定方法であって、
前記参照光の光路を遮断するステップと、
前記被検体の瞳面内の偏光特性行列を測定するステップとを有することを特徴とする測定方法。
【請求項１１】
被検体を通過した被検光と参照光とを干渉させて前記被検体の透過波面を測定する干渉計を用いて前記被検体の複屈折を測定する測定方法であって、
空間フィルターを移動させて前記参照光を遮光するステップと、
前記被検体の瞳面内の偏光特性行列を測定するステップとを有することを特徴とする測定方法。
【請求項１２】
前記測定ステップは、
前記被検体及び前記干渉計の光学系を含むの偏光特性行列を測定する第１の測定ステップと、
前記被検体を含まないように前記光学系を複数の領域に分離するステップと、
前記分離ステップで分離された前記光学系の複数の領域の各々の偏光特性行列を測定する第２の測定ステップと、
前記第１の測定ステップで測定された前記偏光特性行列から前記第２の測定ステップで測定された前記光学系の複数の領域の各々の偏光特性行列を除去するステップとを有することを特徴とする請求項９乃至１１のうちいずれか一項記載の測定方法。
【請求項１３】
請求項１乃至８のうちいずれか一項記載の測定装置を用いて、被検体の瞳面内の透過波面を測定するステップと、
前記測定ステップで測定した前記透過波面に基づいて、前記被検体の瞳面内の偏光特性行列分布の位相項を規格化するステップと、
前記規格化ステップで規格化された前記偏光特性行列分布の位相項から、任意の偏光状態に対する前記被検体の瞳面内の透過波面を算出するステップとを有することを特徴とする測定方法。
【請求項１４】
請求項１乃至８のうちいずれか一項記載の測定装置を用いて、
前記被検体及び前記干渉計の光学系を透過する光量分布と、
前記被検体を含まない前記干渉計の光学系を透過する光量分布と、
前記被検体の偏光特性行列と、
前記被検体を含まない前記干渉計の光学系の偏光特性行列とを求め、
前記求められた情報に基づき任意の偏光状態に対する前記被検体の瞳面内の透過率分布を算出するステップを有することを特徴とする測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には、測定装置及び方法に係り、特に、ＩＣ、ＬＳＩなどの半導体チップ、液晶パネルなどの表示素子、磁気ヘッドなどの検出素子、ＣＣＤなどの撮像素子といった各種デバイス、マイクロメカニクスで用いる微細パターンの製造に用いられる露光装置が使用する光学系（特に、投影光学系）の複屈折を測定する測定装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトリソグラフィー（焼き付け）技術を用いて半導体メモリや論理回路などの微細な半導体デバイスを製造する際に、レチクル（マスク）に描画された回路パターンを投影光学系によってウェハ等に投影して回路パターンを転写する縮小投影露光装置が従来から使用されている。
【０００３】
縮小投影露光装置では、レチクル上のパターンを所定の倍率（縮小率）で正確にウェハ上に転写することが要求されており、かかる要求に応えるためには、結像性能などの光学性能に優れた投影光学系（投影レンズ）を用いることが重要である。特に近年、半導体デバイスの急速な微細化により、通常の結像性能を超えるパターンを転写する場合が多くなってきており、転写パターンは、光学系の偏光特性である複屈折に対しても敏感になってきている。
【０００４】
複屈折を測定するための装置及び方法としては、従来から幾つか提案されている。例えば、半導体ウェハの応力測定器のように被検体の透過光より複屈折を測定する装置があるが、かかる装置は、結像系がないために被検体の表面のある一点の複屈折しか測定することができず（即ち、点測定しかできない）、複屈折の測定を広範囲に必要とする場合には、非検物(或いは光源)を走査させなければならない。そのため装置が複雑化してしまい、光学系（投影レンズなど）のように広範囲な測定が必要な被検体には適していない。そこで、結像系を有するシュアリング干渉計を用いて、被検体の広範囲な複屈折の測定を可能とする装置も提案されている（例えば、特許文献１参照。）
【特許文献１】特開２００４−６１５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に提案されているシュアリング干渉計を用いた装置では、回折格子を外して複屈折を測定する一方、波面測定の際には回折格子が挿入されるため、回折格子に含まれる複屈折の影響をそのまま受けてしまい、高精度に複屈折を測定することができなかった。
【０００６】
更に、回折光が入射光に対して傾いた方向に射出されるため偏光の向きが変化する可能性がある。従って、波面測定の際には被検体（投影レンズなど）以外の途中の光学系（即ち、シュアリング干渉計が有する結像系）の影響を完全に除去することが困難であり、波面測定と複屈折測定の整合性を完全に取ることが不可能である。換言すれば、途中光学系による偏光特性の影響を高精度に測定することができず、被検体の複屈折を正確に測定することができない。
【０００７】
そこで、本発明は、被検体の広範囲な複屈折の測定を高精度に行うことができる測定装置及び方法を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての測定装置は、被検体を通過した被検光と参照光とを干渉させて前記被検体の透過波面を測定する干渉計を備え、前記被検体の複屈折を測定する測定装置であって、フリンジスキャンを利用して前記被検体の瞳面内の偏光特性行列を測定する偏光特性測定手段を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の別の側面としての測定装置は、被検体を通過した被検光と参照光とを干渉させて前記被検体の透過波面を測定する干渉計を備え、前記被検体の複屈折を測定する測定装置であって、前記参照光の光路を遮断して前記被検体の瞳面内の偏光特性行列を測定する偏光特性測定手段を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の更に別の側面としての測定装置は、被検体を通過した被検光と参照光と干渉させて前記被検体の透過波面を測定する干渉計を備え、前記被検体の複屈折を測定する測定装置であって、空間フィルターを移動させて前記参照光を遮光し、前記被検体の瞳面内の偏光特性行列を測定する偏光特性測定手段を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の更に別の側面としての測定方法は、被検体を通過した被検光と参照光とを干渉させて前記被検体の透過波面を測定する干渉計を用いて前記被検体の複屈折を測定する測定方法であって、フリンジスキャンを利用して前記被検体の瞳面内の偏光特性行列を測定するステップと、前記測定ステップで測定した前記偏光特性行列から前記被検体の複屈折を算出するステップとを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の更に別の側面としての測定方法は、被検体を通過した被検光と参照光とを干渉させて前記被検体の透過波面を測定する干渉計を用いて前記被検体の複屈折を測定する測定方法であって、前記参照光の光路を遮断するステップと、前記被検体の瞳面内の偏光特性行列を測定するステップとを有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の更に別の側面としての測定方法は、被検体を通過した被検光と参照光とを干渉させて前記被検体の透過波面を測定する干渉計を用いて前記被検体の複屈折を測定する測定方法であって、空間フィルターを移動させて前記参照光を遮光するステップと、前記被検体の瞳面内の偏光特性行列を測定するステップとを有することを特徴とする。
【００１４】
本発明の更に別の側面としての測定方法は、上述の測定装置を用いて、被検体の瞳面内の透過波面を測定するステップと、前記測定ステップで測定した前記透過波面に基づいて、前記被検体の瞳面内の偏光特性行列分布の位相項を規格化するステップと、前記規格化ステップで規格化された前記偏光特性行列分布の位相項から、任意の偏光状態に対する前記被検体の瞳面内の透過波面を算出するステップとを有することを特徴とする。
【００１５】
本発明の更に別の側面としての測定方法は、上述の測定装置を用いて、前記被検体及び前記干渉計の光学系を透過する光量分布と、前記被検体を含まない前記干渉計の光学系を透過する光量分布と、前記被検体の偏光特性行列と、前記被検体を含まない前記干渉計の光学系の偏光特性行列とを求め、前記求められた情報に基づき任意の偏光状態に対する前記被検体の瞳面内の透過率分布を算出するステップを有することを特徴とする。
【００１６】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、被検体の広範囲な複屈折の測定を高精度に行うことができる測定装置及び方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の一側面としての測定装置１の基本的な構成を示す概略断面図である。実施例１の測定装置１は、透過波面を測定するトワイマングリーン型の干渉計を備え、被検体ＯＳの複屈折を測定する測定装置である。なお、本実施形態では、被検体ＯＳとして投影レンズを想定している。
【００２０】
図１を参照するに、光源１０を射出した光束は、所定の（即ち、既知の）偏光状態にするために偏光子１１を透過させる。光源１０から射出する光束の偏光状態は円偏光であり、偏光子１１を回転させるだけで任意の直線偏光において充分な光量を得ることができる。偏光子１１は、図示しないθステージ上に駆動可能に配置され、図示しない制御部に制御される。なお、紫外線以下の波長に用いられる投影レンズ（被検体ＯＳ）と同一波長で使用可能な偏光子１１としては、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）を硝材とするローションプリズムがある。
【００２１】
偏光子１１を透過した光束の偏光状態は、偏光子１１の角度に依存した直線偏光となる。偏光子１１を透過した光束は、ビーム径を拡大するためのビームエキスパンダ１２及び１３を透過し、平行光束状態でハーフミラー１４へ入射する。以下、ハーフミラー１４で反射される光束を被検光束、ハーフミラー１４を透過する光束を参照光束と称する。
【００２２】
被検光束は物体側ＸＹステージ１５へ入射し、Ｘステージ折り返しミラー１６によって図示しないＹステージ上のミラーへ反射され、次いで、ミラー１７によって物体側Ｚステージ１８へ反射される。なお、ミラーによる折り返しは、ステージ移動時もステージに対して光軸が一定となるようにすることを目的としているため、本実施形態と異なる順番で入射してもよい。物体側Ｚステージ１８には、コリメータレンズ１９が配置されており、コリメータレンズ１９の焦点位置が被検体ＯＳの物体面となるように、物体側Ｚステージ１８を駆動する。また、物体側ＸＹステージ１５は、複屈折を測定する物体位置に駆動する。
【００２３】
コリメータレンズ１９を介して被検体ＯＳに入射した被検光束は、被検体ＯＳを透過した後、被検体ＯＳの倍率で定まる像点に結像する。像側Ｚステージ２０には、球面ミラー２１が配置され、被検体ＯＳの結像位置（像点）に球面ミラー２１の曲率中心が一致するように、像側Ｚステージ２０及び像側ＸＹステージ２２で位置調整する。球面ミラー２１としては、複屈折の影響を避けるために、素硝子又はシリコン（Ｓｉ）結晶等を材料とするミラーを使用する。球面ミラー２１で反射された被検光束は、被検体ＯＳを透過し、同一光路にてハーフミラー１４に至る。
【００２４】
一方、ハーフミラー１４を透過した参照光束は、被検光束の光路長と同一となるように引き回され、参照ミラー２３によって反射される。参照ミラー２３で反射した参照光束は、同一光路を経てハーフミラー１４に戻り、被検光束と干渉するように調整されているが、複屈折を測定する際には、遮光板２４によって遮光される。
【００２５】
ハーフミラー１４を透過した被検光束は、被検体ＯＳの瞳とカメラ２９とを共役関係にするための瞳結像レンズ２５及び２６を透過し、再び平行光束となる。平行光束となった被検光束は、図示しないθステージ上に配置されたλ／４板２７によって偏光に変調が加えられ、検光子２８の角度によって定まる直線偏光成分のみが検光子２８を透過し、カメラ２９で撮像される。図示しないθステージは、図示しない制御部によって制御され、θステージの原点におけるλ／４板２７の進相軸角度と検光子２８の透過軸角度は、検光子２８の透過軸と同様に、紙面（図１）に対して平行に調整されているものとする。
【００２６】
本実施形態では、被検光束に所定の位相遅延量を与える波長板としてλ／４板２７を用いているが、位相遅延量が明確、且つ、λ／２以外であれば、λ／４板以外の波長板を用いてもよい。また、検光子２８は、偏光子１１と同様に、ローションプリズムを使用する。
【００２７】
次に、測定装置１による被検体ＯＳの偏光特性行列の測定方法について説明する。偏光特性行列は、本実施形態では、偏光素子の偏光変換特性を２×２（２行２列）の行列で表すジョーンズ行列であり、かかるジョーンズ行列から複屈折を求めることができる（例えば、辻内  順平他著  「最新・光学技術ハンドブック」  朝倉書店出版  参照。）。
【００２８】
まず、偏光子１１の角度がθｐｏｌ１となるように、θステージを駆動する。この結果、偏光子１１を射出する光束の偏光は、角度θｐｏｌ１の直線偏光となる。かかる偏光状態を、Ｘｉｎ１と表す。ここで、Ｘは、ジョーンズ行列をその１列成分で規格化した際の２列成分で得られる複素数であり、以下、偏光パラメータと称する。
【００２９】
次に、λ／４板２７を回転させながら、カメラ２９にて光量変化を撮影する。λ／４板２７の回転と、カメラ２９による透過光量の撮像とは同期が取れている必要がある。但し、λ／４板２７を回転させながら同時に撮像しても、λ／４板２７の微小角度ステップとカメラ２９による撮像を繰り返す、所謂、ステップ・アンド・リピートであってもよい。
【００３０】
λ／４板２７の回転によるカメラ２９の画素ごとの透過光量変化から、λ／４板２７への入射時の偏光パラメータＸｏｕｔ１の計算を行う。透過光量変化のＤＣ成分、２倍波及び４倍波成分をフーリエ解析等の手法で摘出することによって、以下の数式１を得ることができる。
【００３１】
【数１】
2006214856.tif 000003
【００３２】
ここで、ＤＣはＤＣ成分、ＳＨｓは２倍波ｓｉｎ成分、ＦＨｓは４倍波ｓｉｎ成分、ＦＨｃは４倍波ｃｏｓ成分である。
【００３３】
λ／４板２７に製造誤差等により位相遅延量誤差がある場合には、予め位相遅延量を測定しておき、移相子法による偏光算出の際に補正を行えばよい。移相子法による偏光算出は、撮像される被検体ＯＳの瞳内の全画角について行う。
【００３４】
このような測定を、独立な３つの入射直線偏光Ｘｉｎ１、Ｘｉｎ２及びＸｉｎ３に対して行うことにより、偏光パラメータＸｏｕｔ１、Ｘｏｕｔ２及びＸｏｕｔ３の算出を行う。
【００３５】
次に、偏光子１１からλ／４板２７に至るまでに透過、或いは、反射する光学素子（光学系）全体の偏光特性行列としてジョーンズ行列Ｊを算出する。２行２列の要素で規格化された光学素子のジョーンズ行列Ｊは、入射直線偏光Ｘｉｎ１、Ｘｉｎ２及びＸｉｎ３、偏光パラメータＸｏｕｔ１、Ｘｏｕｔ２及びＸｏｕｔ３を用いて、以下の数式２として算出する。
【００３６】
【数２】
2006214856.tif 000004
【００３７】
光学素子のジョーンズ行列Ｊも、射出偏光パラメータと同様に、被検体ＯＳの瞳内の全ての画角について行う。以下、図１に示した構成から得られるジョーンズ行をＪｔｅｓｔと称する。
【００３８】
次に、被検体ＯＳとそれ以外の光学素子（光学系）に起因する偏光特性行列の分離について説明する。図２及び図３は、被検体ＯＳ以外の測定光学系の偏光光学特性を測定するための測定装置１の構成を示す概略断面図である。
【００３９】
図２は、偏光子１１からビームエキスパンダ１２及び１３を介し、ハーフミラー１４で反射された後、参照平面ミラー３０で折り返されるまでの光路における偏光光学特性と、参照平面ミラー３０で折り返された後、ハーフミラー１４、瞳結像レンズ２５及び２６を透過するまでの光路における偏光光学特性を測定するための測定装置１の構成を示している。以下、偏光子１１からビームエキスパンダ１２及び１３を介し、ハーフミラー１４で反射された後、参照平面ミラー３０で折り返されるまでの光路の構成をシステムエラー１とし、システムエラー１のジョーンズ行列をＪｓｙｓ１とする。
【００４０】
ビームエキスパンダ１２及び１３を透過した後の平行光束の光路中に、システム測定用の参照平面ミラー３０を配置する。参照平面ミラー３０は、ミラー自身の複屈折の影響を与えないようにするために、素硝子や保護コートが施されていないアルミミラー等を使用する。なお、本実施形態では、ハーフミラー１４の直後に参照平面ミラー３０を配置しているが、コリメータレンズ１９までの光路中ならばどこに配置しても構わない。この状態におけるジョーンズ行列の測定も同様に、偏光子１１を回転させて得られる３つの入射偏光に対する３つの射出偏光から算出する。
【００４１】
次に、参照平面ミラー３０の前段に偏光子３１を配置する。偏光子３１を配置することにより、参照平面ミラー３０による反射後、偏光子３１より前の偏光状態はリセットされるため、ハーフミラー１４、瞳結像レンズ２５及び２６を透過するまでの光路における偏光光学特性の測定を行うことができる。以下、参照平面ミラー３０で折り返された後、ハーフミラー１４、瞳結像レンズ２５及び２６を透過するまでの光路の構成をシステムエラー２とし、システムエラー２のジョーンズ行列をＪｓｙｓ２とする。
【００４２】
偏光子３１は、通常測定用の偏光子１１と同様に、図示しないθステージに設置されており、図示しない制御部によって制御される。ジョーンズ行列Ｊｓｙｓ２は、入射偏光の回転を偏光子３１で行うことによって測定する。なお、偏光子１１は、偏光子３１を透過した後の光量が充分となるように回転調整する必要がある。また、偏光子１１を取り外して光量を確保してもよい。
【００４３】
図３を参照するに、コリメータレンズ１９の焦点位置に曲率中心を有する参照球面ミラー３２を配置した構成である。この構成においては、偏光子１１からビームエキスパンダ１２及び１３を介し、ハーフミラー１４で反射された後、ステージ上の折り返しミラー１６、ミラー１７及びコリメータレンズ１９を往復し、ハーフミラー１４、瞳結像レンズ２５及び２６を透過するまでの光路における偏光光学特性を測定する。以下、偏光子１１からビームエキスパンダ１２及び１３を介し、ハーフミラー１４で反射された後、ステージ上の折り返しミラー１６、ミラー１７及びコリメータレンズ１９を往復し、ハーフミラー１４、瞳結像レンズ２５及び２６を透過するまでの光路の構成をシステムエラー３とし、システムエラー３のジョーンズ行列をＪｓｙｓ３とする。ジョーンズ行列Ｊｓｙｓ３の測定は、ジョーンズ行列Ｊｓｙｓ１と同様に、偏光子１１で入射偏光を回転させて行う。
【００４４】
以上から得られる４つのジョーンズ行列Ｊｔｅｓｔ、Ｊｓｙｓ１、Ｊｓｙｓ２及びＪｓｙｓ３を用いて、被検体ＯＳのジョーンズ行列を算出する。それぞれのジョーンズ行列を、含まれる光学素子（光学系）ジョーンズ行列を用いて表すと、以下の数式３で示される。
【００４５】
【数３】
2006214856.tif 000005
【００４６】
なお、数３では、偏光への影響を無視することができる参照平面ミラー３０及び参照球面ミラー３２に関しては表記していない。また、Ｊｐｏｌ−ＨＭ（Ｒ）は偏光子１１を射出してからハーフミラー１４で反射するまでのジョーンズ行列、ＪＨＭ（Ｒ）−ＣｏｌＬｅｎｓはハーフミラー１４を反射してからコリメータレンズ１９を透過するまでのジョーンズ行列、ＪＬｅｎｓは被検体ＯＳのジョーンズ行列、ＪＣｏｌＬｅｎｓ−ＨＭ（Ｔ）はコリメータレンズ１９を透過してλ／４板２７に入射する前までのジョーンズ行列である。
【００４７】
ここで、ハーフミラー１４を反射してからコリメータレンズ１９を透過するまでのジョーンズ行列ＪＨＭ（Ｒ）−ＣｏｌＬｅｎｓとコリメータレンズ１９を透過してλ／４板２７に入射する前までのジョーンズ行列ＪＣｏｌＬｅｎｓ−ＨＭ（Ｔ）は等しいため、以下の数式４が成立する。
【００４８】
【数４】
2006214856.tif 000006
【００４９】
従って、被検体ＯＳのジョーンズ行列ＪＬｅｎｓは、以下の数式５のように表され、被検体ＯＳのジョーンズ行列ＪＬｅｎｓのみの算出が可能となる。
【００５０】
【数５】
2006214856.tif 000007
【００５１】
このように、測定装置１は、被検体ＯＳの偏光特性行列であるジョーンズ行列の測定することができる。ジョーンズ行列から複屈折特性である位相遅延量及び光学特性方位を求めるには、被検体ＯＳのジョーンズ行列ＪＬｅｎｓの固有値及び固有行列を求め、２組の固有値の位相差から位相遅延量、固有ベクトルの角度から特性軸角度を求めればよい。
【００５２】
次に、所定の（即ち、既知の）透過波面を用いてジョーンズ行列を規格化し、被検体ＯＳの瞳面内偏光分布における波面を算出することについて説明する。まず、所定の入射偏光で被検体ＯＳの瞳面内の透過波面Ｗｉｎ（ｒ、θ）を測定する。ここで、（ｒ、θ）は被検体ＯＳの瞳面上の座標を表す。本実施形態では、ｘ方向直線偏光Ｅｉｎ＝（１、０）を入射した場合を例として考える。
【００５３】
次に、被検体ＯＳの偏光特性である瞳面内のジョーンズ行列ＪＬｅｎｓ（ｒ、θ）から、干渉計測で得られる瞳面内の透過波面Ｐｉｎ（ｒ、θ）を算出する。偏光状態Ｅｉｎを入射したとき、被検光束Ｅｏｕｔ（ｒ、θ）は、瞳面内のジョーンズ行列を用いて、以下の数式６で表される。
【００５４】
【数６】
2006214856.tif 000008
【００５５】
一方、参照光束は、入射状態Ｅｉｎが垂直反射して返ってくるので、入射偏光Ｅｉｎのとき干渉計測で得られる瞳面上の透過波面Ｐｉｎ（ｒ、θ）は、以下の数式７となる。
【００５６】
【数７】
2006214856.tif 000009
【００５７】
実際に測定した被検体ＯＳの瞳面内の透過波面は、Ｗｉｎ（ｒ、θ）であるので、透過波面Ｐｉｎ（ｒ、θ）のオフセットを規格化したジョーンズ行列ＪＬｅｎｓ０は、以下の数式８で表される。
【００５８】
【数８】
2006214856.tif 000010
【００５９】
従って、ジョーンズ行列ＪＬｅｎｓ０から、任意の偏光分布における波面の算出が可能となる。かかる算出を、被検体ＯＳの瞳内の全ての画素について行うことで、被検体ＯＳの複屈折特性である位相遅延量及び特性軸角度と、任意の偏光分布における波面を算出することができる。
【実施例２】
【００６０】
図４は、本発明の一側面としての測定装置１Ａの構成を示す概略断面図である。実施例２の測定装置１は、透過波面を測定するフィゾー型の干渉計を備え、被検体ＯＳの複屈折を測定する測定装置である。なお、偏光特性行列の測定に関わる被検体ＯＳのジョーンズ行列の測定は、実施例１と同様であるため、被検光束と参照光束との分岐についてのみ説明する。
【００６１】
図４を参照するに、光源１０から射出した光束は、λ／２板４１及び偏光子１１によって任意の角度の直線偏光となる。偏光子１１を射出した光束は、ビームエキスパンダ１２によって一度集光された後、ハーフミラー１４で拡散しながら反射される。ハーフミラー１４で反射された光束は、ビームエキスパンダ１３によってビーム径が拡大された平行光束となる。ビームエキスパンダ１３を透過した光束は、ミラー４２で反射されて物体側ＸＹステージ１７に入射し、Ｘステージ折り返しミラー１６によって図示しないＹステージ上のミラーへ反射され、次いで、ミラー１７によって物体側Ｚステージ１８へ反射される。
【００６２】
物体側Ｚステージ１８には、ＰＺＴアクチュエータ４３を介し、最終面の曲率半径と最終面から焦点までの距離が等しい、所謂、ＴＳレンズ４４が配置されており、ＴＳレンズ４４を透過する光束の焦点位置が被検体ＯＳの物体面となるように、物体側Ｚステージ１８を駆動する。また、物体側Ｚステージ１８は、複屈折を測定する物体位置に駆動する。
【００６３】
ＴＳレンズ４４は、光源１０の波長に対する反射防止膜が最終面以外に施されており、最終面のみコートなしの素硝子としている。このため、ＴＳレンズ４４の最終面では、入射光量の５％程度が反射され、同一光路を経てハーフミラー１４に戻る。以下、ＴＳレンズ４４の最終面で反射される光束を参照光束と称する。
【００６４】
ＴＳレンズ４４を介して被検体ＯＳに入射した光束は、被検体ＯＳを透過した後、被検体ＯＳの倍率で定まる像点に結像する。像側Ｚステージ２０には、球面ミラー２１が配置され、被検体ＯＳの結像位置（像点）と球面ミラー２１の曲率中心とが光軸垂直方向にΔだけずれるように、像側Ｚステージ２０及び像側ＸＹステージ２２で位置調整する。球面ミラー２１は、ＴＳレンズ４４の最終面と同様に素硝子とし、以下、球面ミラー２１で反射される光束を被検光束と称する。
【００６５】
ＴＳレンズ４４の最終面で反射された参照光束は、同一光路を経てハーフミラー１４を透過する。一方、球面ミラー２１で反射された被検光束は、球面ミラー２１の曲率中心位置が結像位置からΔずれているため、復路が往路に対して傾いてハーフミラー１４に入射する。ＴＳレンズ４４の焦点と共役な位置に配置した空間フィルター４５上での被検光束と参照光束とのずれ量Δｓｐｆは、被検体ＯＳの横倍率をβＬｅｎｓ、ＴＳレンズ４４の焦点距離をＦｔｓ、ビームエキスパンダ１３の焦点距離をＦｅｘｐとして、以下の数式９で表される。
【００６６】
【数９】
2006214856.tif 000011
【００６７】
数式９に示されるずれ量Δｓｐｆを用いて、被検光束と参照光束との分岐を行う。図５は、空間フィルター４５の近傍を示す拡大断面図である。図５において、１点鎖線は測定光学系の光軸を示しており、通常の干渉計測時には、図５（ａ）に示すように、空間フィルター４５の開口４５ａの中心は、測定光学系の光軸上にある。一方、複屈折の測定時には、図５（ｂ）に示すように、空間フィルター４５をΔｓｐｆシフトさせることにより、被検光束の位置に空間フィルター４５の開口４５ａの中心を移動させ、参照光束を遮光し、被検光束のみを透過させる。
【００６８】
空間フィルター４５を透過した被検光束は、瞳結像レンズ２６を透過し、平行光束となる。平行光束となった被検光束は、λ／４板２７によって偏光に変調が加えられ後、偏光子２８で偏光子２８の透過軸方向の偏光成分のみが取り出されて、カメラ２９で撮像される。ビームエキスパンダ１３及び瞳結像レンズ２６は、ＴＳレンズ４４の絞りとカメラ２９とを共役関係にすると共に、ＴＳレンズ４４の絞りと被検体ＯＳの瞳とを共役関係にする。これにより、カメラ２９は、被検体ＯＳの瞳と共役となる。
【００６９】
このような、測定装置１Ａを用いて、実施例１と同様に、偏光子１１による複数の入射偏光に対する射出偏光の測定を行い、被検光束の偏光特性行列であるジョーンズ行列を求め、被検体ＯＳ以外の測定光学系に起因するジョーンズ行列を除去することで、被検体ＯＳの瞳面内における偏光特性行列を測定することができる。
【実施例３】
【００７０】
実施例３として、干渉縞を平均する方式を用いて被検光束と参照光束とを分離し、被検体ＯＳの偏光特性行列を測定する方法について説明する。実施例１では遮光板２４を用いて参照光束を遮光し、被検光束のみを検出しているが、本実施形態では、干渉縞強度を積算して被検光束の情報を検出する。
【００７１】
実施例３では、図４に示す測定装置１Ａの構成において、球面ミラー２１の曲率中心の位置が被検体ＯＳの結像点に一致するように、像側Ｚステージ２０及び像側ＸＹステージ２２を調整する。また、空間フィルター４５の開口４５ａの中心は、測定光学系の光軸上に配置する。かかる配置により、カメラ２９では、被検光束と参照光束との光路長差及び被検体ＯＳの透過波面収差に応じて、被検光束と参照光束が干渉した干渉縞が撮像される。
【００７２】
λ／４板２７に入射する光束の偏光測定の際には、λ／４板２７を微小角度ステップさせるごとに、物体側Ｚステージ１７に配置したＰＺＴアクチュエータ４３を半波長の整数倍だけ直線駆動して、その間の積算光量を用いて被検光束の情報を算出する。
【００７３】
図６は、ＰＺＴアクチュエータ４３の駆動と、カメラ２９のある画素における干渉縞の変化を示すグラフである。図６（ｂ）に示すように、ＰＺＴアクチュエータ４３の駆動量が波長の半整数倍になるごとに、図６（ａ）に示す干渉縞強度が周期的に変動する。被検光束の光量をＩｒｅｆ、参照光束の光量をＩｔｅｓｔ、被検光束と参照光束との干渉縞のコントラストをＶ、被検光束と参照光束との光路長差をＬとすると、干渉縞強度Ｉｆｒｇは、以下の数式１０で表される。
【００７４】
【数１０】
2006214856.tif 000012
【００７５】
従って、光路長差を波長の整数倍のみスキャンさせた際に得られる積算光量は、干渉成分が打ち消され、被検光束の光量と参照光束の光量との和となる。
【００７６】
本実施形態では、ＰＺＴアクチュエータ４３を駆動させることにより干渉縞の平均化を行っているが、光源１０の波長を変化させることができる場合には、波長を変化させることによって干渉縞を平均化してもよい。かかる場合には、以下の数式１１で表される波長変化で干渉縞一周期の変化を与えることができる。
【００７７】
【数１１】
2006214856.tif 000013
【００７８】
以上の測定によって、λ／４板２７の回転に対するＤＣ成分、２倍波成分及び４倍波成分が、参照光束と被検光束との和として算出される。ここで、ＤＣ成分をＤＣｒｅｆ＋ｔｅｓｔ、２倍波成分をＳＨｒｅｆ＋ｔｅｓｔ、４倍波成分をＦＨｒｅｆ＋ｔｅｓｔとし、以下の数式１２を用いることで、被検光束のみのλ／４板２７による変調成分を算出することができる。
【００７９】
【数１２】
2006214856.tif 000014
【００８０】
次いで、これらの変調成分から射出偏光状態を算出し、偏光子１１による複数の入射偏光に対する被検光束の射出偏光の測定を行い、被検光束の偏光特性行列であるジョーンズ行列を求め、被検体ＯＳ以外の測定光学系に起因するジョーンズ行列を除去することで、被検体ＯＳの瞳面内における偏光特性行列を測定することができる。
【実施例４】
【００８１】
実施例４として、被検体ＯＳの瞳面内の透過率分布の測定について説明する。図１及び図３に示す測定装置１の測定状態において、以下の数式１３で表されるジョーンズ行列は、システムエラー１及び２から測定されているものとする。
【００８２】
【数１３】
2006214856.tif 000015
【００８３】
実施例１で説明したように、通常の偏光特性行列の測定から算出されるジョーンズ行列は、２行２列成分で規格化されているため、これらを無偏光の入射光束に対する透過率で規格化する。無偏光の入射光束に対する透過率Ｔｕｐは、ジョーンズ行列Ｊの各要素を用いて、以下の数式１４で表される。
【００８４】
【数１４】
2006214856.tif 000016
【００８５】
従って、実施例１で得られたジョーンズ行列から透過率を算出し、各要素を√２Ｔｕｐで除算すればよい。無偏光の入射光束に対して規格化されたジョーンズ行列をｊとし、各ジョーンズ行列で表される光学素子の実際の無偏光透過率をＴとすると、以下の数式１５が成り立つ。
【００８６】
【数１５】
2006214856.tif 000017
【００８７】
一方、実際に、ジョーンズ行列Ｊｔｅｓｔ及びＪｓｙｓ３の測定時に、入射偏光Ｘｔｅｓｔ及びＸｓｙｓ３においてカメラ２９で検出される光量をＩｔｅｓｔ及びＩｓｙｓ３とすると、以下の数式１６で表される。
【００８８】
【数１６】
2006214856.tif 000018
【００８９】
従って、被検体ＯＳの無偏光の入射光束に対する透過率Ｔｌｅｎｓは、以下の数式１７から算出すればよい。
【００９０】
【数１７】
2006214856.tif 000019
【００９１】
また、任意の偏光に対する透過率を算出する場合には、入射偏光パラメータをＸｉｎとして、以下の数式１８から算出すればよい。
【００９２】
【数１８】
2006214856.tif 000020
【実施例５】
【００９３】
実施例１乃至４では、干渉計に偏光特性行列を測定する機能を追加した構成としているが、干渉計の機能は無くてもよい。かかる場合も上述したように、被検体ＯＳ以外の光学系の複屈折の影響を除去することができ、実施例１乃至４に示した干渉計と同じ状態で偏光特性行列を測定することが可能である。
【００９４】
図７は、本発明の一側面としての測定装置１Ｂの構成を示す概略断面図である。測定装置１Ｂは、偏光特性行列を測定する機能のみを有する測定装置である。
【００９５】
図７を参照するに、光源１０を射出した光束は、所定の（即ち、既知の）偏光状態にするために偏光子１１を透過させる。光源１０から射出する光束の偏光状態は円偏光であり、偏光子１１を回転させるだけで任意の直線偏光において充分な光量を得ることができる。偏光子１１は、図示しないθステージ上に駆動可能に配置され、図示しない制御部に制御される。
【００９６】
偏光子１１を透過した光束の偏光状態は、偏光子１１の角度に依存した直線偏光となる。偏光子１１を透過した光束は、ビーム径を拡大するためのビームエキスパンダ１２及び１３を透過し、平行光束状態でハーフミラー１４に入射する。本実施形態では、干渉計の機能は搭載していないので、測定装置１Ｂは、参照ミラーを有していない。そのため、ハーフミラー１４を透過した光束は、遮光板２４で遮光する。以下、ハーフミラー１４で反射される光束を被検光束と称する。
【００９７】
被検光束は物体側ＸＹステージ１５へ入射し、Ｘステージ折り返しミラー１６によって図示しないＹステージ上のミラーへ反射され、次いで、ミラー１７によって物体側Ｚステージ１８へ反射される。なお、ミラーによる折り返しは、ステージ移動時もステージに対して光軸が一定となるようにすることを目的としているため、本実施形態と異なる順番で入射してもよい。物体側Ｚステージ１８には、コリメータレンズ１９が配置されており、コリメータレンズ１９の焦点位置が被検体ＯＳの物体面となるように、物体側Ｚステージ１８を駆動する。また、物体側ＸＹステージ１５は、複屈折を測定する物体位置に駆動する。
【００９８】
コリメータレンズ１９を介して被検体ＯＳに入射した被検光束は、被検体ＯＳを透過した後、被検体ＯＳの倍率で定まる像点に結像する。像側Ｚステージ２０には、球面ミラー２１が配置され、被検体ＯＳの結像位置（像点）に球面ミラー２１の曲率中心が一致するように、像側Ｚステージ２０及び像側ＸＹステージ２２で位置調整する。
【００９９】
球面ミラー２１で反射された被検光束は、被検体ＯＳを透過し、同一光路にてハーフミラー１４に至る。ハーフミラー１４を透過した被検光束は、被検体ＯＳの瞳とカメラ２９とを共役関係にするための瞳結像レンズ２５及び２６を透過し、再び平行光束となる。平行光束となった被検光束は、図示しないθステージ上に配置されたλ／４板２７によって偏光に変調が加えられ、検光子２８の角度によって定まる直線偏光成分のみが検光子２８を透過し、カメラ２９で撮像される。図示しないθステージは、図示しない制御部によって制御され、θステージの原点におけるλ／４板２７の進相軸角度と検光子２８の透過軸角度は、検光子２８の透過軸と同様に、紙面（図７）に対して平行に調整されているものとする。
【０１００】
また、測定装置１と同様に、参照平面ミラー３０、偏光子３１及び参照球面ミラー３２も、被検光束の光路上に挿脱可能に配置されている。
【０１０１】
このような、測定装置１Ｂを用いて、実施例１と同様に、偏光子１１による複数の入射偏光に対する射出偏光の測定を行い、被検光束の偏光特性行列であるジョーンズ行列を求め、被検体ＯＳ以外の測定光学系に起因するジョーンズ行列を除去することで、被検体ＯＳの瞳面内における偏光特性行列を測定することができる。
【０１０２】
以上、説明したように、本発明の測定装置によれば、干渉計を用いながらも、被検体の状態（例えば、被検体の進相軸方向など）を仮定することなく、システム起因の誤差を正確に補正し、被検体の瞳面内の偏光特性である偏光特性行列を高精度に測定することができる。また、測定した偏光特性行列から、被検体の瞳面内の複屈折分布及び透過率分布も高精度に測定することができる。更に、干渉計測時と同じ状態で偏光特性行列を測定することが可能であるため、任意の偏光分布状態における被検体の瞳面の波面を高精度に測定することができる。
【０１０３】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の一側面としての測定装置の基本的な構成を示す概略断面図である。
【図２】被検体以外の測定光学系の偏光光学特性を測定するための測定装置の構成を示す概略断面図である。
【図３】被検体以外の測定光学系の偏光光学特性を測定するための測定装置の構成を示す概略断面図である。
【図４】本発明の一側面としての測定装置の構成を示す概略断面図である。
【図５】図４に示す空間フィルターの近傍を示す拡大断面図である。
【図６】図４に示すＰＺＴアクチュエータの駆動と、カメラのある画素における干渉縞の変化を示すグラフである。
【図７】本発明の一側面としての測定装置の構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１                    測定装置
１１                  偏光子
１４                  ハーフミラー
１９                  コリメータレンズ
２１                  球面ミラー
２３                  参照ミラー
２７                  λ／４板
２８                  検光子
２９                  カメラ
３０                  参照平面ミラー
３１                  偏光子
３２                  参照球面ミラー
１Ａ                  測定装置
４１                  λ／２板
４４                  ＴＳレンズ
４５                  空間フィルター
１Ｂ                  測定装置
ＯＳ                  被検体
【図１】
2006214856.tif 000021
【図２】
2006214856.tif 000022
【図３】
2006214856.tif 000023
【図４】
2006214856.tif 000024
【図５】
2006214856.tif 000025
【図６】
2006214856.tif 000026
【図７】
2006214856.tif 000027