(57)【要約】【課題】試料を回転する必要がなく、かつ正確な軸方位検出を可能にする複屈折測定装置及び試料の軸方位検出方法を提供することを目的とする。【解決手段】光照射手段１２からの光を透過し直線偏光にする偏光子１４と、該直線偏光の光に変調を与える光弾性変調子１６と、を備え、前記変調された光を試料１８に照射し、該試料１８からの出力光により試料１８の複屈折を測定する複屈折測定装置において、前記試料１８からの出力光が透過する検光子２０と、前記偏光子１４の軸方位に対する前記検光子２０の軸方位の方位角を変更するための検光子回転手段２２と、を備え、前記検光子回転手段２２により複数の異なる方位角で測定を行うことで、前記試料１８の軸方位を検出することを特徴とする複屈折測定装置１０。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光照射手段からの光を透過し直線偏光にする偏光子と、該直線偏光の光に変調を与える光弾性変調子と、を備え、前記変調された光を試料に照射し、該試料からの出力光により試料の複屈折を測定する複屈折測定装置において、
前記試料からの出力光が透過する検光子と、
前記偏光子の軸方位に対する前記検光子の軸方位の方位角を変更するための検光子回転手段と、を備え、
前記検光子回転手段により複数の異なる方位角で測定を行うことで、前記試料の軸方位を検出することを特徴とする複屈折測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の複屈折測定装置において、
前記複数の異なる方位角が、約０度及び約４５度の二つの角度であることを特徴とする複屈折測定装置。
【請求項３】
偏光子からの光を光弾性変調子により変調し、該変調された光を試料に照射し、該試料からの出力光を検光子に通して検出することで前記試料の複屈折を測定する複屈折測定装置において、
前記偏光子の軸方位に対する前記検光子の軸方位の方位角を変更して測定を行うことで前記試料の軸方位を検出することを特徴とする複屈折試料の軸方位検出方法。
【請求項４】
請求項３記載の複屈折試料の軸方位検出方法において、
前記方位角として約０度と約４５度の二つの方位角で測定を行うことで前記試料の軸方位を検出することを特徴とする複屈折試料の軸方位検出方法。
【請求項５】
偏光子からの光を光弾性変調子により変調し、該変調された光を試料に照射し、該試料からの出力光を検光子に通して検出することで前記試料の複屈折を測定する複屈折測定装置において、
前記試料として４分の１波長板を用いた時の検出信号を基準として、検出信号の較正を行うことを特徴とする複屈折測定装置のキャリブレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複屈折測定装置、特に複屈折試料の軸方位検出機構及び方法の改良、また、複屈折測定装置のキャリブレーション方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物質の光学的性質が異方性をもつ場合、その物質の屈折率は二以上の値をとる。このような物質に光が入射すると、一つの入射光に対して常光及び異常光の二つの屈折光が得られる。この現象を複屈折と呼ぶ。複屈折の現象は、光学異方性を持つ物質が振動面の異なる直線偏光に対して異なる屈折率を持つことから理解される。位相速度の速い光の振動方向は進相軸、位相速度の遅い光の振動方向は遅相軸と呼ばれる。複屈折測定は、上記の進相軸または遅相軸の方位を決定し、進相軸方向に振動面を持つ光と遅相軸方向に振動面をもつ光の位相差（リターデーション）を測定することで行う。
【０００３】
例えば特許文献１では、ＰＥＭを用いた複屈折解析装置が記載され、低角（５度以下）入射のビームスプリッタを用いることで検出チャンネルとして反射と透過の２チャンネルを持ち、試料の回転無しに進相軸方位とリターデーションを測定している。また装置の安定性を維持する目的で、試料室のドリフト周期、部屋のドリフト周期などに応じてキャリブレーションを繰返し行っている。装置の安定性が崩れる主な原因はＰＥＭの変調振幅が環境温度の変動に依存してドリフトする為である。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第６２６８９１４号公報
【非特許文献１】
深沢知行、「真空紫外域の複屈折測定」、光技術コンタクト、社団法人日本オプトメカトロニクス協会、平成１４年４月、第４０巻、第４号、ｐ．２１〜２６
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１の軸方位検出方法は、２チャンネルの光路を形成するため使用されるビームスプリッタの特性に対して、（１）入射角５度では反射により偏光状態が変わらない、（２）透過により偏光状態が変わらない、という２つの仮定を前提としている。そこで真空紫外域の波長領域を考えるとき、実用的な透過媒体がＭｇＦ２やＣａＦ２などのフッ化物に限定されて来る。しかも、従来等方的と考えられて来たＣａＦ２などの立方晶系の結晶でも、次世代の光リソグラフィーの波長とされる波長１５７ｎｍでは１１ｎｍ／ｃｍ程度の大きな複屈折を持つ事（例えば、非特許文献１参照）から、等方的でなくなるため上記の（２）の前提が崩れてしまう。つまり真空紫外領域において、特許文献１の装置では試料の正確な軸方位検出が行えない。
本発明の目的は、試料を回転する必要がなく、かつ正確な軸方位検出を可能にする複屈折測定装置及び試料の軸方位検出方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の複屈折測定装置は、光照射手段からの光を透過し直線偏光にする偏光子と、該直線偏光の光に変調を与える光弾性変調子と、を備え、前記変調された光を試料に照射し、該試料からの出力光により試料の複屈折を測定する複屈折測定装置において、前記試料からの出力光が透過する検光子と、前記偏光子の軸方位に対する前記検光子の軸方位の方位角を変更するための検光子回転手段と、を備え、前記検光子回転手段により複数の異なる方位角で測定を行うことで、前記試料の軸方位を検出することを特徴とする。
上記の複屈折測定装置において、前記複数の異なる方位角が、約０度及び約４５度の二つの角度であることが好適である。
【０００７】
本発明の複屈折試料の軸方位検出方法は、偏光子からの光を光弾性変調子により変調し、該変調された光を試料に照射し、該試料からの出力光を検光子に通して検出することで前記試料の複屈折を測定する複屈折測定装置において、前記偏光子の軸方位に対する前記検光子の軸方位の方位角を変更して測定を行うことで前記試料の軸方位を検出することを特徴とする。
上記の複屈折試料の軸方位検出方法において、前記方位角として約０度と約４５度の二つの方位角で測定を行うことで前記試料の軸方位を検出することが好適である。
【０００８】
また、本発明の複屈折測定装置のキャリブレーション方法は、偏光子からの光を光弾性変調子により変調し、該変調された光を試料に照射し、該試料からの出力光を検光子に通して検出することで前記試料の複屈折を測定する複屈折測定装置において、前記試料として４分の１波長板を用いた時の検出信号を基準として、検出信号の較正を行うことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態の構成を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の複屈折測定装置の概略構成を示したものである。
図１の複屈折測定装置１０は、特定の波長域の光を照射する光照射手段１２（光源２６、分光器２８）と、光照射手段１２からの光を透過し直線偏光にする偏光子１４と、該偏光子１４を透過した光の偏光状態を変調させるための光弾性変調子１６（ＰＥＭ）と、試料１８からの出力光を通す検光子２０と、該検光子２０を透過した光を検出する光検出手段（ＰＭＴ２４）と、を備えている。ここでの偏光子１４は複屈折性偏光子であり、例えばローションプリズム等が使用される。偏光子１４が複像性を持つことから偏光子１４を透過した光は常光と異常光とに分離され、分離した光は互いに直交する直線偏光となる。これらの二つの光をそれぞれ試料測定のための測定光、参照光として使用する。また、光照射手段１２は図２に示したように、光源（Ｄ２ランプ３０）にフィルタ３２を備えた構成にしてももちろん良い。
【００１０】
偏光子１４を透過して直線偏光となった光はＰＥＭ１６を透過し、二つの互いに直交する振動面を持つ直線偏光間に位相差δを生じさせ、一般には楕円偏光となる。このＰＥＭ１６は制御手段（ＰＥＭコントローラー４０）に接続され、ＰＥＭコントローラー４０によってＰＥＭ１６に周波数ｆの交流電圧が加えられ、その結果上記の位相差δもδ＝δ０ｓｉｎ（２πｆｔ）のように変調される（ｔ：時間、δ０：振幅）。
【００１１】
このように変調された測定光は試料１８に照射され、その試料１８からの出力光（今の場合は試料からの透過光のことであるが反射光を測定する構成としても良い）を検光子２０に透過させる。検光子２０を透過した光は光検出手段（ＰＭＴ２４）により検出される。この検出信号はロックインアンプ３８へと送られ、参照信号をもとに検出信号の周波数ｆまたは／及び２ｆの成分を抽出し演算手段（ＣＰＵ４４）へと送る。このようにＣＰＵ４４を介して得られる測定データはパーソナルコンピュータ４５により所望のデータ処理が行われ、またパーソナルコンピュータ４５に記憶された手順に従い試料１８の軸方位やリターデーションなどが求められる。検光子２０には、その軸方位を変更するための検光子回転手段２２が設けられており、偏光子１４の軸方位に対する検光子２０の軸方位の角度を変更することができる。検光子２０の軸方位角を変更して測定を行うことにより試料１８を回転することなく、試料１８の軸方位を決定することができ、また試料１８の複屈折の測定も行うことができる。好適には、検光子２０の軸方位を０度と４５度の２通りの角度で測定を行えばよい。試料１８の軸方位検出およびリターデーション測定の詳細については後述する。
【００１２】
このように本発明によれば、試料を回転せずに位相差が求まるので、露光器用のレンズ硝材などの大きな試料に対して軸検出が容易になる。また、搬送機構を付けて連続測定を行うような自動化システムでも、試料の回転機構が不要となるためシステムの構築が容易となる。
光弾性変調子１６を透過した参照光は、参照光検光子３４を通って参照光用検出器（ＰＭＴ３６）で検出される。参照光の検出信号はＰＥＭコントローラー４０へＰＥＭモニタ信号として送られる。また、測定光に関する信号処理に用いられる参照信号としてロックインアンプ３８へも送られる。ＰＥＭモニタ信号を受け取ったＰＥＭコントローラー４０はその信号を基にしてＰＥＭの駆動電圧を制御する。例えばＰＥＭモニタ信号に含まれる周波数２ｆ成分の振幅と直流成分の大きさの比が一定になるように駆動電圧を制御し、光弾性変調子１６を周波数ｆで振動させる。参照光に従い光弾性変調子を制御するという構成により、光弾性変調子の変調振幅を環境温度の変動を受けずに一定に保持することができる。ＣＰＵ４４からＰＥＭコントローラー４０へは、波長に応じた交流電圧の振幅の上限に関する情報が送られる。なお、ＣＰＵ４４はドライバー４２、検光子回転手段２２も制御し、分光器の波長走査の制御や検光子の軸角度の制御を行うようにもできる。
【００１３】
図３は上記の構成で波長１５７ｎｍでのＣａＦ２の複屈折を約１時間測定し続けた結果を表すグラフである。縦軸がリターデーション（ｎｍ／ｃｍ）の値を示し、横軸が時間を示している。図３のグラフから明らかなように、約１時間の間リターデーションはほとんど一定値を保っており、本発明の複屈折測定装置は、真空波長域でも十分に安定であることが確認された。
つまり、本発明での複屈折測定装置は真空紫外の波長に対しても十分正確な軸方位検出および複屈折の測定を行うことができる。
【００１４】
次に本発明の軸方位検出方法について説明する。
＜軸方位検出方法＞
図２に示した複屈折測定装置の光路図を参照して説明する。図１に対応する部分には同一符号を用い、説明を省略する。図２に描かれた角度はそれぞれの光学素子の軸方位を示している（偏光子１４の軸方位を基準にとっている）。光照射手段１２から照射された光は複屈折性偏光子１４によって参照光と測定光とに分離される。この参照光と測定光は互いに垂直な偏光方向を持つ直線偏光である。
【００１５】
偏光子１４により直線偏光とされた測定光は、光弾性変調子１６によって２つの軸方向の偏光成分間に位相差δを与えられ変調をうける。以上の説明をストークスベクトルとミュラー行列を用いて表すと以下のようになる。まず、０度方位の偏光子を表すミュラー行列Ｐ０は下記の数１で表される。
【００１６】
【数１】
2004184225.tif 000003
また、θ方位の直線位相子（ＰＥＭ１６に対応）のミュラー行列は数２のようになる。
【００１７】
【数２】
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ここで、θは進相軸方位、δは上記の位相差を示している。次に光照射手段１２からの光である自然光を表すストークスベクトルｔ（１，０，０，０）（ｔは転置を示す）を上記の数１の行列に右から掛け、さらにその結果を数２の行列に右から掛けると、係数（１／２）を除いて、数３で示されたＰＥＭによって変調された照射光Ｓが得られる。
【００１８】
【数３】
2004184225.tif 000005
数３から偏光子とＰＥＭの成す角θは４５度が最適であることがわかる。しかし、この角度に限定する必要はない。例えば２２．５度とすると測定光Ｓの第４成分は０．７ｓｉｎδとなり、検出信号は３割小さくなる。また、４０度では４５度の場合と比べて９８．５％の大きさとなり、１．５％だけ損するのみであり問題はない。ここでは、簡単のためθ＝（１／４）πの時を考える。このとき照射光Ｓは
【数４】
2004184225.tif 000006
と表される。次に進相軸方位がθ（上記のＰＥＭ１６の軸方位θとは無関係）、位相差Δの複屈折試料Ｂのミュラー行列は、
【数５】
2004184225.tif 000007
と表される。ここで、ｔａｎΨは、０度方位（ｐ偏光）の直線偏光の透過係数の大きさと９０度方位（ｓ偏光）の直線偏光の透過係数の大きさの比を表している。照射光Ｓが試料に照射され、試料から出力光Ｃが出射される。この出力光Ｃは数４のベクトルを数５の行列に右から掛けることで得られ、数６のように表される。
【００１９】
【数６】
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【００２０】
この出力光Ｃが検光子２０を通り光検出器であるＰＭＴ２４（フォトマル）によって検出される。この検知信号を表す式は、数６で示される出射光Ｃを、検光子を表すミュラー行列に掛け、その結果得られるストークスベクトルの第１成分として求められる。数６から分かるように試料の軸方位θと位相差Δの２つのパラメータを求める為には、検光子を複像とするか、または検光子の軸方位を２方位取って情報を増やす必要がある。ここでは、検光子の透過軸方位を２方位取る場合について説明する。
【００２１】
まず検光子２０の軸方位を０度にして測定を行い、この時の検知信号をＩ０とする。検知信号Ｉ０を表す式は数６を数１で表されるミュラー行列Ｐ０に掛け、その第１成分として求められ、下記の数７のようになる。
【数７】
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【００２２】
次に検光子２０の軸方位を４５度にして測定を行い、４５度方位での検知信号Ｉ４５を検出する。検知信号Ｉ４５は、数６の出射光Ｃを、４５度方位偏光子を示すミュラー行列Ｐ４５に掛けて得られる。
【数８】
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【００２３】
ここで、ＰＥＭ１６による位相差δはδ＝δ０ｓｉｎ（２πｆｔ）のように変調されており、これを数７と数８のｃｏｓδ，ｓｉｎδの部分に代入する。そして良く知られているようにべッセル関数を用いて展開すると、ｃｏｓδは定数またはｃｏｓ｛２ｎ・２πｆｔ｝に比例した項の和として表され、ｓｉｎδはｓｉｎ｛（２ｎ−１）２πｆｔ｝に比例した項の和として表される（ｎ＝１，２…）。この周波数ｆを持つｓｉｎ（２πｆｔ）に比例した成分が上でも述べた検出信号のｆ成分であり、ここではｆ（Ｉ）と書いて表す。そこで、ｆ成分の比ｆ（Ｉ０）／ｆ（Ｉ４５）を取ると、
【数９】
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となる。この数９の逆関数から試料の進軸軸方位θが−９０≦２θ≦９０の範囲で求まる。したがって、試料を回転すること無しに試料の進行軸方位を決定することができる。
【００２４】
また、このようにして求まった複屈折試料の軸方位θからさらに複屈折試料の位相差Δが求められる。そのため、数７のｆ成分ｆ（Ｉ０）を取ると、
【数１０】
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のようになる。特に試料に２色性が無い場合（Ψ＝４５°）の場合にはｆ（Ｉ０）は
【数１１】
2004184225.tif 000013
となり、進相軸方位θが既知なので、数１１より位相差Δが求まる。この位相差はΔ＝（２π／λ）Γの関係でリターデーションΓと結びついている。ここでλは測定に使う光の波長を表している。
【００２５】
＜キャリブレーション方法＞
複屈折測定装置のキャリブレーション方法を述べる。装置のキャリブレーションは、試料として４分の１波長板を用いて行う。４分の１波長板は位相差ΔがΔ＝±（π／２）・（４ｍ＋１）、（ただしｍ＝０，１，２，…）の条件を満たすので、｜ｓｉｎΔ｜＝１となる。そこで、４分の１波長板を試料として用いた測定を行うと、上記の数１０よりその時の検知信号の大きさは、検知信号のｆ成分の振幅の上限を与えることが分かる。このようにして求められた信号の振幅の上限をフルスケールとして基準にとり、検知信号のスケールの較正を行う。このキャリブレーションによって、測定波長を変えたときや、雰囲気温度の変化などにも対応できる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の複屈折測定装置および軸方位検出方法によれば、試料を回転する必要無しに、複屈折試料の軸方位や複屈折位相差を求めることができる。
また本発明の複屈折測定装置および複屈折試料の軸方位検出方法によれば、真空紫外域でも安定した測定を行うことが可能となる。
さらに、本発明の複屈折測定装置のキャリブレーション方法によればより安定した複屈折測定を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複屈折測定装置の概略構成図
【図２】本発明の複屈折測定装置の光路図
【図３】複屈折試料の測定結果を示すグラフ
【符号の説明】
１０…複屈折測定装置
１２…光照射手段
１４…偏光子
１６…光弾性変調子
１８…試料
２０…検光子
２２…検光子回転手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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