(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測物に光を照射する照明装置と、前記被計測物からの光を受光し光の強度に応じて出力が変化する光センサと、前記被計測物と前記光センサとの間に配置された検光子と、前記検光子を前記光センサの光軸に平行な回転中心の回りで回転させる回転手段と、前記検光子の回転角度を計測する角度センサと、前記被計測物からの光を前記光センサに取り込むタイミングを指示するためのトリガ信号を発生させるトリガ手段と、前記光センサの出力と前記角度センサが検出した前記検光子の回転角度とを用いて前記被計測物からの光の偏光状態を解析する解析手段とを備え、前記トリガ手段は、前記トリガ信号を前記光センサと前記解析手段とに与え、前記照明装置は、前記被計測物に閃光ではない光を照射させ、前記解析手段は、前記光センサの出力として前記光センサが前記トリガ信号による指示を受けて露光期間に取り込んだ光に対する出力を用い、前記検光子の回転角度として前記露光期間に前記角度センサが検出した回転角度の平均値を用いることを特徴とする偏光解析装置。
【請求項２】
前記トリガ手段は、前記角度センサの出力が規定された３つの回転角度である時点においてそれぞれ前記トリガ信号を発生し、前記解析手段は、前記トリガ信号ごとに得られる前記光センサの出力と前記検光子の回転角度とを用いて前記被計測物からの光の偏光状態を解析することを特徴とする請求項１記載の偏光解析装置。
【請求項３】
前記トリガ手段は、規定された３つの時刻においてそれぞれ前記トリガ信号を発生し、前記解析手段は、前記トリガ信号ごとに得られる前記光センサの出力と前記検光子の回転角度とを用いて前記被計測物からの光の偏光状態を解析することを特徴とする請求項１記載の偏光解析装置。
【請求項４】
前記光センサは、２次元格子の格子点に画素が配列された撮像手段であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の偏光解析装置。
【請求項５】
前記解析手段は、前記撮像手段の画素ごとに得られる濃淡値から前記被計測物の表面の各部位における面の向きを求めることを特徴とする請求項４記載の偏光解析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被計測物に光を照射し、被計測物で反射または被計測物を透過した光の偏光状態を解析することにより、被計測物の物理特性を計測する偏光解析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、被計測物の膜圧、反射係数、表面粗さ、結晶性などの物理特性を計測するために、被計測物に光を照射するとともに、被計測物で反射された反射光あるいは被計測物を透過した透過光の偏光状態を解析する技術が知られている。この種の技術は、エリプソメトリーと呼ばれている。以下では、被計測物に照射された後の光に関して反射光についてのみ記載するが、この反射光の用語はとくに断りがなければ、被計測物を透過した透過光と読み替え可能である。
【０００３】
被計測物で反射された反射光は、検光子を通して光センサで受光される。光センサは、受光強度に応じた出力が得られる構成であればよいが、被計測物を広範囲に亘って同時に計測する場合にはカメラのような撮像手段が用いられる。検光子は、光センサ（撮像手段）が被計測物を見込む光軸の回りに回転可能になっている。
【０００４】
被計測物での反射光は偏光であるから、楕円偏光により一般化して扱うことができる。楕円偏光のパラメータは、規定した基準の角度に対する楕円の傾きを表す角度ψと、楕円の長径ａおよび短径ｂとの３個で表される。一方、検光子を通過した光の強度Ｉは、検光子の回転角度θの関数でもあるから、結局、強度Ｉは、４個のパラメータａ，ｂ，θ，ψを持つ関数ｆとして表される。すなわち、Ｉ＝ｆ（ａ，ｂ，θ，ψ）になる。ここに、直線偏光はｂ＝０の条件で表され、円偏光はａ＝ｂの条件で表される。また、関数ｆの形は既知である。なお、長径ａと短径ｂとの絶対値は、被計測物に照射された光の強度によって変化するが、偏光状態を知るには長径ａと短径ｂとの比（楕円率）がわかればよいから、長径ａと短径ｂとの絶対値は変化してもよい、つまり、被計測物に照射する光の強度は考慮しなくてもよい。
【０００５】
したがって、検光子を互いに独立した少なくとも３つの回転角度θに設定した状態で、撮像素子の各画素で受光した強度Ｉを求めることにより、３個のパラメータψ，ａ，ｂが一意に定められる。回転角度θが独立しているとは、２つの回転角度θの差が１８０°の倍数ではないことを意味する。検光子を少なくとも３つの回転角度θに設定し、それぞれの回転角度θにおける強度Ｉを上式に当てはめると、３個のパラメータψ，ａ，ｂを含む３個の数式が得られるから、未知数であるパラメータψ，ａ，ｂを定めることができる。すなわち、反射光の偏光状態が求められ、反射光の偏光状態から被計測物の物理特性を計測することが可能になる。
【０００６】
上述したように検光子を回転させ、検光子の回転角度と撮像手段での受光強度との関係から反射光の偏光状態を解析する技術は、回転検光子法と呼ばれており、回転検光子法を実現する構成が特許文献１に開示されている。特許文献１に記載された構成は、検光子をモータにより回転させるとともに、角度センサにより検光子の回転角度を検出している。すなわち、検光子をモータで回転させ、角度センサで検出した検光子の回転角度が所定の角度になった時点で、光センサとしてのイメージセンサの出力をサンプリングし、フレームメモリに記憶させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平４−５８１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、特許文献１に記載された技術は、角度センサが所定の角度になった時点でイメージセンサの出力をサンプリングしている。ここで、イメージセンサの出力をサンプリングするには比較的長い時間を要することから、検光子を一定速度で回転させるとすれば、検光子の回転速度を高速化することは困難である。この問題を解決するには、イメージセンサがサンプリングを行う期間は検光子を停止させるか回転速度を低速にし、他の期間は検光子の回転速度を高速にすることが考えられる。つまり、検光子の回転速度を加減速することが考えられる。
【０００９】
イメージセンサでサンプリングを行うために検光子を停止させる場合、検光子の位置決めを行うためにモータを制御する必要がある。すなわち、この動作を採用すると、被計測物の物理特性を計測するために長い時間を要することになる。しかも、検光子の回転と停止とを繰り返すことになるから、モータの負荷が大きくなるという問題がある。検光子の回転速度を低速にする場合は、検光子の位置決めのための制御は不要であるが、回転速度が比較的低速であることから、この場合も計測に長い時間を要することになる。
【００１０】
一方、検光子の回転速度を加減速させると、検光子を停止させる場合や検光子を低速度で回転させる場合に比較して、被計測物の計測に要する時間は短縮されるが、モータの負荷が大きくなるという問題が生じる。
【００１１】
本発明は、検光子を一定の回転速度で回転させ、かつ被計測物の計測を比較的短い時間で行う偏光解析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る偏光解析装置は、上述した目的を達成するために、被計測物に光を照射する照明装置と、被計測物からの光を受光し光の強度に応じて出力が変化する光センサと、被計測物と光センサとの間に配置された検光子と、検光子を光センサの光軸に平行な回転中心の回りで回転させる回転手段と、検光子の回転角度を計測する角度センサと、被計測物からの光を光センサに取り込むタイミングを指示するためのトリガ信号を発生させるトリガ手段と、光センサの出力と角度センサが検出した検光子の回転角度とを用いて被計測物からの光の偏光状態を解析する解析手段とを備え、トリガ手段は、トリガ信号を光センサと解析手段とに与え、照明装置は、被計測物に閃光ではない光を照射させ、解析手段は、光センサの出力として光センサがトリガ信号による指示を受けて露光期間に取り込んだ光に対する出力を用い、検光子の回転角度として露光期間に角度センサが検出した回転角度の平均値を用いることを特徴とする。
【００１４】
この偏光解析装置において、トリガ手段は、角度センサの出力が規定された３つの回転角度である時点においてそれぞれトリガ信号を発生し、解析手段は、トリガ信号ごとに得られる光センサの出力と検光子の回転角度とを用いて被計測物からの光の偏光状態を解析することが好ましい。
【００１５】
この偏光解析装置において、トリガ手段は、規定された３つの時刻においてそれぞれトリガ信号を発生し、解析手段は、トリガ信号ごとに得られる光センサの出力と検光子の回転角度とを用いて被計測物からの光の偏光状態を解析することが好ましい。
【００１６】
この偏光解析装置において、光センサは、２次元格子の格子点に画素が配列された撮像手段であることがさらに好ましい。
【００１７】
この偏光解析装置において、解析手段は、撮像手段の画素ごとに得られる濃淡値から被計測物の表面の各部位における面の向きを求めることがさらに好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の構成によれば、検光子を一定の回転速度で回転させ、かつ被計測物の計測を比較的短い時間で行うことが可能になるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態を示す概略構成図である。
【図２】同上の構成例を示す概略構成図である。
【図３】同上の原理説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（実施形態１）
以下に説明する実施形態は、図１に示すように、被計測物１に光を照射する照明装置１０と、被計測物１を撮像する撮像手段２０と、被計測物１と撮像手段２０との間に配置された検光子２１とを備える。検光子２１は、モータを備える回転手段２２を用いて回転駆動される。検光子２１は、撮像手段２０の光軸と平行な回転中心の回りで回転するように配置される。また、検光子２１は、規定した基準の角度に対する回転角度が角度センサ２３により計測される。
【００２１】
以下では、照明装置１０から被計測物１に照射された光の反射光を撮像手段２０に入射させる場合についてのみ説明するが、照明装置１０から被計測物１に照射された光の透過光を撮像手段２０に入射させてもよい。したがって、以下の説明における反射光は、とくに断りがなければ透過光と読み替えることが可能である。
【００２２】
回転手段２２による検光子２１の回転速度は、一定であって回転むらのないことが望ましいが、検光子２１の回転角度は角度センサ２３により計測されており、回転速度は計測精度に影響しないから、検光子２１の回転むらは許容される。
【００２３】
照明装置１０は、被計測物１に広範囲に亘って光を照射することが可能であれば、どのような構成でもよい。また、照明装置１０は、光源からの光を偏光板と四分の一波長板とに通すことによって被計測物１に円偏光を照射する構成、光源からの光を偏光板に通すことによって被計測物１に直線偏光を照射する構成としてもよい。照明装置１０に用いる光源は、撮像手段２０が撮像している間に光出力が変動することがないよう、直流安定化電源を用いて点灯させるものが好ましい。また、照明装置１０は、規定の短時間だけ光を出力して被計測物１に閃光を照射する機能を備える。照明装置１０が閃光を発生する場合、発光毎の光量が変化しないように発光量が制御される。
【００２４】
角度センサ２３は、検光子２１の回転角度を検出するロータリエンコーダ、ポテンショメータなどが用いられる。角度センサ２３は、検光子２１から回転を直接に検出するように配置されるほか、回転手段２２のおける回転部分から検光子２１の回転を間接的に検出するように配置されていてもよい。
【００２５】
撮像手段２０は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサのように２次元格子の格子点上に画素が配列された撮像素子を備える。また、撮像手段２０は受光光学系を備え、被計測物１からの反射光は受光光学系を通して撮像素子に入射される。この撮像手段２０は、画素値を濃淡値とする濃淡画像を生成する。したがって、撮像手段２０の各画素の画素値には、被計測物１の表面の場所ごとの反射光の強度が反映される。言い換えると、撮像手段２０の画素ごとの画素値は、被計測物１の場所ごとの反射光の偏光状態を反映していることになる。
【００２６】
撮像手段２０から出力される画素ごとの画素値は解析手段２４に入力される。解析手段２４は、画素ごとの画素値と検光子２１の回転角度との関係を用いて、被計測物１の表面に関して画素に対応する部位の偏光状態を解析する（背景技術を参照）。要するに、偏光状態を決めるパラメータを、被計測物１の部位ごとに求める。
【００２７】
背景技術において説明したように、偏光状態を決めるパラメータを求めるには、検光子２１が互いに独立した３つの回転角度であるときに、それぞれの回転角度において受光する光の強度を求める必要がある。このことから、撮像手段２０による撮像のタイミングを検光子２１の回転角度と対応付けることが必要である。そのため、撮像手段２０が被計測物１からの反射光を取り込むタイミングを指示するトリガ信号をトリガ手段２５によって発生させている。
【００２８】
トリガ手段２５は、角度センサ２３が検出した検光子２１の回転角度に基づいてトリガ信号を発生させる構成と、角度センサ２３の出力とは無関係に適宜の時刻にトリガ信号を発生させる構成とのいずれかが採用される。
【００２９】
角度センサ２３の出力を用いるトリガ手段２５は、角度センサ２３から出力される検光子２１の回転角度を用い、互いに独立した３つの回転角度においてトリガ信号を発生させる。つまり、検光子２１について３つの回転角度が規定されており、角度センサ２３の出力が規定された回転角度を示すときにトリガ信号を発生させる。トリガ信号を発生させる回転角度は、３つの回転角度のうちの２つずつの回転角度の差が１８０°の倍数でなければ、適宜に設定することが可能である。ただし、計測に要する時間を短縮するには、検光子２１が１８０°回転する期間内に、トリガ信号を３回発生させることが好ましい。
【００３０】
一方、角度センサ２３の出力を用いないトリガ手段２５は、適宜のタイミングでトリガ信号を発生させる。トリガ信号を発生させるタイミングは、検光子２１の回転角度の差が１８０°の倍数にならない範囲で任意であるが、計測に要する時間を短縮するには、検光子２１が半周する期間内に、トリガ信号を３回発生させることが好ましい。この技術を採用する場合は、角度センサ２３の出力はトリガ手段２５に与えないから、図１における角度センサ２３とトリガ手段２５とを結ぶ線は不要になる。
【００３１】
上述したトリガ信号は、照明装置１０と撮像手段２０とに与えられる。照明装置１０にトリガ信号が与えられると、照明装置１０は被計測物１に閃光を照射する。すなわち、被計測物１は、照明装置１０からの閃光により短時間（たとえば、〜数ｍｓ）だけ光が照射される。通常の撮像手段２０は、１フレームの画像を得るのに数十ｍｓを要するから、被計測物１が照明装置１０から閃光を照射される時間は、１フレームの画像を得る時間よりも短くなる。
【００３２】
したがって、撮像手段２０の周囲光を遮断し、照明装置１０による光が照射されている期間の出力のみが撮像手段２０から得られるようにしておけば、撮像手段２０は、閃光が生じている期間の情報のみを取得することになる。このことから、検光子２１が比較的高速で回転していても、撮像手段２０において被計測物１の情報を取得している期間における検光子２１の回転量が微小になる。つまり、撮像手段２０で得られる出力と、検光子２１の回転角度とが精度よく対応付けられ、被計測物１による反射光の偏光状態を精度よく計測することが可能になる。なお、撮像手段２０に光が入射する時間が微小になるから、撮像手段２０から十分な大きさの出力が得られるように、照明装置１０の光出力は比較的大きくしておく必要がある。
【００３３】
上述したように、検光子２１の回転角度が所定の角度になったタイミングと、時刻によって定めたタイミングとのいずれかで、トリガ手段２５からトリガ信号が出力され、照明装置１０からの閃光が被計測物１に照射される。したがって、撮像手段２０には被計測物１による偏光状態を反映した反射光が、閃光の生じている微小時間だけ入射する。
【００３４】
撮像手段２０に反射光が入射する微小時間における検光子２１の回転角度の変化は微小であるから、解析手段２４において検光子２１の回転角度が精度よく特定されることになる。その結果、解析手段２４において、被計測物１の物理特性が反映された正確な偏光状態が求められる。また、上述した構成を採用すれば、撮像手段２０が被計測物１からの反射光を取得する時間が、１フレームの画像を撮像する時間よりも短くなる。そのため、検光子２１の回転速度を低速にすることや、検光子２１の回転速度を加減速することが不要であって、計測に要する時間が短くなる。また、検光子２１の回転速度に回転むらがあったとしても偏光状態の計測精度には影響しない。
【００３５】
以下に、偏光を用いて被計測物１の表面状態を計測する技術の一例を説明する。図２に示す例では、被計測物１を図示しないテーブル上に配置してあり、テーブルの上方に撮像手段２０を配置してある。すなわち、撮像手段２０は、テーブル上面の法線方向と光軸が平行になるように配置してある。被計測物１は撮像手段２０の光軸上に配置される。
【００３６】
照明装置１０は、下面が半球状に凹んだ発光面を有し、撮像手段２０の光軸の周囲の全周に亘って被計測物１に斜め上方から光を照射する。また、照明装置１０の発光面は撮像手段２０の光軸を囲むように配置される。照明装置１０は、撮像手段２０の視野を遮らないように円形に開口する開口窓１１を備える。したがって、照明装置１０はリング照明のように、被計測物１を全周に亘って均等に照明する。
【００３７】
すなわち、照明装置１０は、被計測物１に対して斜め上方から均等に光を照射し、撮像手段２０は、照明装置１０に形成された開口窓１１を通して被計測物１からの反射光を受光する。開口窓１１と撮像手段２０との間には検光子２１が配置される。検光子２１は、撮像手段２０の光軸と平行な回転中心の回りで回転可能であって、回転手段２２により回転駆動される。
【００３８】
ところで、図２に示す構成例では、照明装置１０は、重ねて配置された偏光板と四分の一波長板（図示せず）とを備えており、偏光板を通して直線偏光になった光を四分の一波長板に通すことによって円偏光の光を生成し、被計測物１に円偏光の光を照射する。被計測物１に円偏光の光を照射すると、撮像手段２０に入射する光は被計測物１の表面の向きに応じたパラメータを持つ楕円偏光になる。楕円偏光のパラメータは、背景技術において説明したように、楕円の長径および短径（または、楕円率）、基準の角度に対する楕円の傾きを表す角度である。したがって、検光子２１の回転角度と撮像手段２０の各画素ごとの濃淡値との関係を用いると、撮像手段２０の各画素に対応した被計測物１の表面の各部位の向きを定量的に計測することが可能になる。
【００３９】
いま、図３に示すように、被計測物１の表面において撮像手段２０の各画素に対応する範囲としての小領域Ｓｎを規定し、小領域Ｓｎの範囲では被計測物１の表面を平面とみなす。以下では、小領域Ｓｎの法線方向Ｄｎが撮像手段２０の光軸Ａｘに対してなす角度をφ（傾斜角）で表し、小領域Ｓｎの法線をテーブル（図示せず）の表面に平行な基準平面ＰＬに投影した直線が当該面内の基準の角度に対してなす角度をω（方位角）で表す。
【００４０】
基準平面ＰＬは、撮像手段２０の撮像面にも平行になる。傾斜角φは、撮像手段２０に向かう向きを０°とし、被計測物１に向かう向きを１８０°とする。また、方位角ωは、撮像手段２０の画素配列における水平方向をｘ方向、垂直方向をｙ方向とするとき、ｘ軸の正の向きを０°とし、ｘ軸の負の向きを１８０°とする。なお、図３に示す座標系は、右手系であり、撮像手段２０の光軸Ａｘと基準平面ＰＬとの交点を原点とする。
【００４１】
上述のように、傾斜角φと方位角ωとを規定した場合、被計測物１について計測可能な範囲は、傾斜角φについては最大で０〜９０°であり、方位角ωについては最大で０〜１８０°になる。ここに、傾斜角φの制限は、傾斜角φが９０°以上の部位が撮像手段２０からは死角であって視野外になることによって生じる。また、方位角ωの制限は、検光子２１が２回回転対称であることによって生じる。つまり、検光子２１は、楕円偏光における楕円の角度を０〜１８０°の範囲でのみ区別できるからである。
【００４２】
図３に示す構成では、傾斜角φと方位角ωとを求めるだけでは、傾斜角φが等しく方位角ωが１８０°異なっている小領域Ｓｎを区別することができない。すなわち、小領域Ｓｎに関して得られる情報量が不足している。この情報量を増加させるには、撮像手段２０の光軸Ａｘに対するテーブルの傾きを既知の角度だけ変化させて、傾斜角φおよび方位角ωを計測すればよい。テーブルの傾きを変更すれば、傾斜角φが等しいことによって区別できなかった小領域Ｓｎが異なる傾斜角φになるから、結果的に小領域Ｓｎの区別が可能になり、すべての小領域Ｓｎについて傾斜角φと方位角ωとを求めることが可能になる。すなわち、被計測物１の表面の各部位を形成している小領域Ｓｎの向きが計測される。小領域Ｓｎの向きの計測により、被計測物１の表面粗さなどが計測される。また、小領域Ｓｎの連続性に着目すれば、被計測物１の表面の三次元形状を推定することも可能になる。
【００４３】
（実施形態２）
実施形態１は照明装置１０が被計測物１に閃光を照射し、閃光が生じている微小時間だけ撮像手段２０に光を入射させることによって、検光子２１の回転角度を精度よく特定する構成を採用した。これに対して、本実施形態は、被計測物１からの反射光が撮像手段２０に入射する期間（つまり、露光期間）を一定にし、撮像手段２０の露光期間における検光子２１の回転角度の平均値を、検光子２１の回転角度として用いる。他の構成は実施形態１と同様であるから、図１を参照して説明する。ただし、本実施形態の構成は、照明装置１０は閃光を発生しないから、図１におけるトリガ手段２５と照明装置１０とを結ぶ線は不要になる。
【００４４】
撮像手段２０が被計測物１からの反射光を取り込むタイミングは、実施形態１と同様に、トリガ手段２５から出力されるトリガ信号によって定められる。また、露光期間は撮像手段２０を駆動するクロック信号によって定められる。たとえば、撮像手段２０は、トリガ信号が入力された後のクロック信号の最初の立ち上がりから６０分の１秒間を露光期間とする。また、解析手段２４は、露光開始と露光終了とのタイミングをトリガ信号とクロック信号とにより認識し、露光開始と露光終了との時点で角度センサ２３により得られた検光子２１の回転角度の平均値を求める。解析手段２４は、求めた平均値を検光子２１の回転角度とみなし、撮像手段２０が露光期間において取り込んだ反射光の強度（受光量）に対応付けることによって偏光状態を求める。
【００４５】
本実施形態は、検光子２１の回転角度を求める技術において実施形態１と相違するが、他の構成は実施形態１と同様である。トリガ手段２５からトリガ信号を発生させるタイミングも実施形態１と同様に、角度センサ２３で検出される検光子２１の回転角度に基づいて規定する場合と、適宜に設定した時刻で規定する場合とがある。
【００４６】
また、本実施形態では、閃光を用いないから、照明装置１０の最大発光強度を実施形態１よりも小さくすることが可能になる。あるいはまた、実施形態１と同じ光出力の照明装置１０を用いた場合、偏光状態の１回の計測の間に被計測物１から撮像手段２０に入射する反射光の光量が実施形態１よりも大きくなる。その結果、反射光の入射強度の差が撮像手段２０の出力差に反映されやすくなり、偏光状態の計測精度が高くなる。さらに、撮像手段２０の露光期間を一定に保つ制御は、発生している時間が微小である閃光の強度を発生毎に等しくする制御よりも容易になる。
【符号の説明】
【００４７】
１  被計測物
１０  照明装置
２０  撮像手段（光センサ）
２１  検光子
２２  回転手段
２３  角度センサ
２４  解析手段
２５  トリガ手段
【図１】
0005821029.tif 000002
【図２】
0005821029.tif 000003
【図３】
0005821029.tif 000004