(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、偏光子と、第１の移相子と、第２の移相子とを、光源から出た光が偏光子、第１の移相子、第２の移相子の順で透過した後に測定対象領域に向けて出射されるような配置で備えており、第１の移相子は、その主軸方向が偏光子の透過軸の方向と異なるようにして固定配置され、第２の移相子は、第１の移相子と同じ材料からなり、その主軸方向が第１の移相子の主軸方向とは異なるようにして固定配置された、投光光学系と、
前記投光光学系から出射し測定対象領域において反射又は透過した光を透過させる検光子と、
前記検光子を透過した光の分光光量を求める手段とを備え、
第１の移相子の厚みをD1、第２の移相子の厚みをD2としたときに、D1とD2との比が、
17/7≦D1/D2≦7、
9/7≦D1/D2≦5/3
のいずれかを満たす、偏光分光装置。
【請求項２】
前記D1とD2との比が、実質的に、D1/D2＝3を満たす、請求項１に記載の偏光分光装置。
【請求項３】
光源と、偏光子と、第１の移相子と、第２の移相子とを、光源から出た光が偏光子、第１の移相子、第２の移相子の順で透過した後に測定対象領域に向けて出射されるような配置で備えており、第１の移相子は、その主軸方向が偏光子の透過軸の方向と異なるようにして固定配置され、第２の移相子は、第１の移相子と同じ材料からなり、その主軸方向が第１の移相子の主軸方向とは異なるようにして固定配置された、投光光学系と、
前記投光光学系から出射し測定対象領域において反射又は透過した光を透過させる検光子と、
前記検光子を透過した光の分光光量を求める手段と
を備えた偏光分光装置と、
前記分光光量を用いて、測定対象領域に配置された測定対象物の分光偏光パラメータの少なくとも１つを求める演算装置とを備え、
第１の移相子の厚みをD1、第２の移相子の厚みをD2としたときに、D1とD2との比が、
17/7≦D1/D2≦7、
9/7≦D1/D2≦5/3
のいずれかを満たす、分光偏光計測装置。
【請求項４】
前記D1とD2との比が、実質的に、D1/D2＝3を満たす、請求項３に記載の分光偏光計測装置。
【請求項５】
光源と、偏光子と、第１の移相子と、第２の移相子とを、光源から出た光が偏光子、第１の移相子、第２の移相子の順で透過した後に測定対象領域に向けて出射されるような配置で備えており、第１の移相子は、その主軸方向が偏光子の透過軸の方向と異なるようにして固定配置され、第２の移相子は、第１の移相子と同じ材料からなり、その主軸方向が第１の移相子の主軸方向とは異なるようにして固定配置された、投光光学系と、
前記投光光学系から出射し測定対象領域において反射又は透過した光を透過させる検光子とを備え、
第１の移相子の厚みをD1、第２の移相子の厚みをD2としたときに、D1とD2との比が、
17/7≦D1/D2≦7、
9/7≦D1/D2≦5/3
のいずれかを満たす、光学装置。
【請求項６】
前記D1とD2との比が、実質的に、D1/D2＝3を満たす、請求項５に記載の光学装置。
【請求項７】
光源と、偏光子と、第１の移相子と、第２の移相子とを、光源から出た光が偏光子、第１の移相子、第２の移相子の順で透過した後に測定対象領域に向けて出射されるような配置で備えており、第１の移相子は、その主軸方向が偏光子の透過軸の方向と異なるようにして固定配置され、第２の移相子は、第１の移相子と同じ材料からなり、その主軸方向が第１の移相子の主軸方向とは異なるようにして固定配置され、
第１の移相子の厚みをD1、第２の移相子の厚みをD2としたときに、D1とD2との比が、
17/7≦D1/D2≦7、
9/7≦D1/D2≦5/3
のいずれかを満たす、投光装置。
【請求項８】
前記D1とD2との比が、実質的に、D1/D2＝3を満たす、請求項７に記載の投光装置。
【請求項９】
測定対象物を用意するステップと、
光源と、偏光子と、第１の移相子と、第２の移相子とを、光源から出た光が偏光子、第１の移相子、第２の移相子の順で透過した後に測定対象領域に向けて出射されるような配置で備えており、第１の移相子は、その主軸方向が偏光子の透過軸の方向と異なるようにして固定配置され、第２の移相子は、第１の移相子と同じ材料からなり、その主軸方向が第１の移相子の主軸方向とは異なるようにして固定配置された、投光光学系と、
前記投光光学系から出射し測定対象領域において反射又は透過した光を透過させる検光子と、
前記検光子を透過した光の分光光量を求める手段とを備え、
第１の移相子の厚みをD1、第２の移相子の厚みをD2としたときに、D1とD2との比が、
17/7≦D1/D2≦7、
9/7≦D1/D2≦5/3
のいずれかを満たす、偏光分光装置を用意するステップと、
前記偏光分光装置を用いて測定対象物についての分光光量を求めるステップと、
を備えた分光偏光計測方法。
【請求項１０】
前記D1とD2との比が、実質的に、D1/D2＝3を満たす、請求項９に記載の分光偏光計測方法。
【請求項１１】
さらに、求めた前記分光光量を用いて、測定対象物の分光偏光パラメータの少なくとも１つを求めるステップを備えた、請求項９又は１０に記載の分光偏光計測方法。
【請求項１２】
前記測定対象物の分光偏光パラメータの少なくとも１つを求めるステップにおいて、第２の移相子の速軸の透過率及び遅軸の透過率を用いて演算がなされる、請求項１１に記載の分光偏光計測方法。
【請求項１３】
前記測定対象物の分光偏光パラメータの少なくとも１つを求めるステップにおいて、第２の移相子の速軸の透過率と遅軸の透過率の比の逆正接（γ2(σ)）を用いて演算がなされる、請求項１１に記載の分光偏光計測方法。
【請求項１４】
前記測定対象物の分光偏光パラメータの少なくとも１つを求めるステップにおいて、γ2誤差項の影響を除去するための補正演算がなされる、請求項１１に記載の分光偏光計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、チャネルドスペクトルを用いて行う測定対象物の分光偏光特性の計測を高精度に行うための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光は、「横波」の性質を有する。互いに直交する３軸（ｘ，ｙ，ｚ）を前提として、光の進行方向をｚ軸方向とすると、光の振動方向はｘｙ平面に沿った方向となる。ｘｙ平面内における光の振動方向には偏りが存在する。この光の偏りは「偏光」と称される。この明細書においては、以下に、光の偏り方を「偏光状態」と称する。この偏光状態は、一般に、光の波長（色）によって異なる。
【０００３】
測定対象物に対して、ある偏光状態の光を入射させ、透過光や反射光等の出射光を取得すると、測定対象物が光に対する異方性を有すると、入射光と出射光との間で偏光状態の変化が観察される。この偏光状態の変化から、測定対象物の異方性に関する情報を取得することを「偏光計測」と称する。なお、このような異方性の原因としては、分子構造の異方性、応力（圧力）の存在、局所電場や磁場の存在等が挙げられる。
【０００４】
入射光と出射光との間における偏光状態の変化を、各波長毎に求め、それらから測定対象物の異方性に関する情報を取得することを特に「分光偏光計測」と称する。この分光偏光計測によれば、単一波長（単色）による計測の場合に比べて、格段に多くの情報を取得できる利点がある。この分光偏光計測においては、入射光と出射光の間における偏光状態の変化についての情報を取得する装置、すなわち偏光分光装置がキーデバイスとなる。
【０００５】
分光偏光計測の応用分野としては、分光エリプソメトリ分野、医療分野等が知られている。例えば、分光エリプソメトリ分野においては、薄膜の膜厚や複素屈折率を非破壊かつ非接触で計測できることから、光エレクトロニクス機器、半導体の検査、研究等への応用がなされている。医療分野においては、幾種かの細胞が偏光特性を有することから、緑内障やガン細胞の早期発見への試みがなされている。
【０００６】
従来の代表的な分光偏光計測法として、回転移相子法と偏光変調法とが知られている。
これらの方法では、機械的ないし電気的な偏光制御素子を用いて、計測対象光に変調をかけ、それに伴うスペクトルの変化から偏光状態、例えばストークスパラメータ等を求めている。
【０００７】
しかしながら、これらの計測手法には［１］機械的、又は電気的駆動装置が必要であること、［２］偏光制御装置の条件を変えながら、複数のスペクトルを繰り返し測定しなければならないこと、等の問題点が指摘されていた。
【０００８】
これらの問題点を解決するためにチャネルド分光偏光計測法が、先に考案された（非特許文献１参照）。
【０００９】
また、非特許文献１では、試料と分光器の間に２枚の移相子が設置されていたが、特許文献１及び非特許文献２では、試料と光源の間に２枚の移相子を設置する構成による計測が提案されている。これにより、試料による光線の向きの変動があった場合でも、計測誤差の少ない計測を可能としている。
【００１０】
特許文献１に示される偏光分光装置の構成を図１に示す。図示されていない移相子の厚み比を除き、図１に示された構成は本発明にも共通する構成である。図１に示される光学系は、光源７、偏光子Ｐ、移相子Ｒ１及びＲ２、検光子Ａ、分光器８から構成される。光源７を出た光は偏光子Ｐ、移相子Ｒ１、移相子Ｒ２を順に透過し、試料Ｄを反射又は透過し、検光子Ａを透過し、分光器８へと入射する。その後、分光器８において入射光のスペクトルが取得され、後述する手順により、試料の分光偏光パラメータ等が算出される。
【００１１】
移相子Ｒ１と移相子Ｒ２の速軸の方向は互いに４５°傾けられており、偏光子Ｐの透過軸の方向は移相子Ｒ２の速軸の方向と一致している。なお、図中では、移相子の速軸を「fast」遅軸を「slow」と表記している。また、θは、移相子Ｒ２の速軸に対する検光子の透過軸の方位角である。
【００１２】
２つの移相子Ｒ１，Ｒ２のそれぞれにおいて、直交偏光成分間に生ずる位相差は周波数に依存する。このため、光スペクトルアナライザとして機能する分光器からは、３つのキャリア成分を含むチャネルドスペクトルが得られる。各々のキャリア成分の振幅と位相は、試料の分光偏光パラメータにより変調されている。したがって、フーリエ変換を利用した信号処理をコンピュータにて施せば、各分光偏光パラメータを求めることができる。
【００１３】
実験の結果の一例が図２（非特許文献２より引用）に示されている。これは、薄膜試料の反射光を計測することで、薄膜試料の分光偏光パラメータであるエリプソメトリックパラメータΨ、Δの波長λに対する特性であるΨ（λ）、Δ（λ）を計測したものである。図２の２本の実線は、それぞれエリプソメトリックパラメータΨ（λ）、Δ（λ）を示している。試料の分光偏光パラメータが周波数に依存して変化することが理解されるであろう。
【００１４】
また、この計測した、エリプソメトリックパラメータΨ（λ）、Δ（λ）を理論値とフィッティングすることにより、膜厚52.6nmとの結果を得ている（理論値は図２の点線）。この膜厚算出においては、膜厚値をフィッティングパラメータとして、計測値と理論値との二乗誤差が最も小さくなる膜厚値を求めた。従来の回転移相子法で計測した値49.3nmと比較的近い計測結果となっている。
【００１５】
このようにチャネルド分光偏光計測法によれば、分光光量の特性を周波数分析（あるいは、波数解析）すれば、試料の分光偏光パラメータを求めることができる。尤も、周波数分析に先立って、２つの移相子Ｒ１，Ｒ２のそれぞれについて、リタデーションをあらかじめ求めておくことが必要である。ここで、リタデーションとは、速軸成分と遅軸成分との間に生ずる位相差のことである。
【００１６】
上述のチャネルド分光偏光計測法によれば、［１］回転移相子等の機械的な可動素子が不要であること、［２］電気光学的変調器等の能動的な素子が不要であること、［３］１枚のスペクトルから４つのストークスパラメータが一度に求まり、いわゆるスナップショットな測定ができること、［４］構成が簡単であり、小型化に適すること、等の利点が得られる。また、試料の傾きの変動に対してもＲ１，Ｒ２のそれぞれのリタデーションは変動せず、計測誤差の少ない計測を可能としている。
【特許文献１】特開２００６−３０８５５０号公報
【非特許文献１】加藤貴之、岡和彦、田中哲、大塚喜弘、"周波数領域干渉法に基づく偏光のスペクトル分布測定,"第３４回応用物理学会北海道支部学術講演会講演予稿集(応用物理学会北海道支部、札幌、１９９８)、ｐ.４１
【非特許文献２】H. Okabe, K. Matoba, M. Hayakawa, A. Taniguchi, K. Oka, H. Naito, N. Nakatsuka,"New configuration of channeled spectropolarimeter for snapshot polarimetric measurement of materials", Proceedings of SPIE, Vol.5878, 2005年8月31日, p. 58780H
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、特許文献１及び非特許文献２に示すチャネルド分光偏光計測法にあっては、計測誤差の要因についての理論が充分に検討されておらず、そのため、高精度に計測するために最適となる２枚の移相子の厚さの比が不明であった。
【００１８】
非特許文献２に示されるように、２枚の移相子の厚さの比を２：１と設定した場合に、複屈折試料のリタデーションδ(σ)を計測し、真値との比較により計測精度を評価した。ここで、σは波長λの逆数であり、以下、波数と呼ぶ。なお、チャネルド分光偏光計測法を用いて複屈折試料のリタデーションδ(σ)を求める手法については、特許文献１の段落０２２６以降に明記されているため、ここでは割愛する。
【００１９】
図３に計測値δ(σ)の横軸を波長軸に変換したδ(λ)の結果を示す。チャネルド分光偏光計測法（点線）と、一般的な測定方法のひとつである回転補償子法(実線) の２つの手法で同条件での計測結果を比較することで、チャネルド分光偏光計測法の計測精度を確認した。図３の結果からわかるように、複屈折試料のリタデーションを計測すると、従来手法に比べて大きな計測誤差が生じる。この誤差は再現性のあるもので、計測原理に起因する系統誤差と考えられる。
【００２０】
また、図２に示した非特許文献２の膜厚を算出した実験結果においても、従来の回転移相子法で計測した値49.3nmに対して実験結果52.6nmと若干の差異があり、チャネルド分光偏光計測法には計測原理に起因する系統誤差が含まれていると推定できる。
このように、従来の理論では説明できない誤差が存在していた。
【００２１】
本発明は、上述したような問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、従来のチャネルド分光偏光計測装置を用いた場合に現れる誤差を低減し、より一層高精度な分光偏光計測を可能にする装置及び方法を提供することにある。
【００２２】
この発明のさらに他の目的並びに作用効果については、以下の記述を参照することにより、当業者であれば容易に理解されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の偏光分光装置は、光源と、偏光子と、第１の移相子と、第２の移相子とを、光源から出た光が偏光子、第１の移相子、第２の移相子の順で透過した後に測定対象領域に向けて出射されるような配置で備えており、第１の移相子は、その主軸方向が偏光子の透過軸の方向と異なるようにして固定配置され、第２の移相子は、第１の移相子と同じ材料からなり、その主軸方向が第１の移相子の主軸方向とは異なるようにして固定配置された、投光光学系と、前記投光光学系から出射し測定対象領域において反射又は透過した光を透過させる検光子と、前記検光子を透過した光の分光光量を求める手段とを備え、第１の移相子の厚みをD1、第２の移相子の厚みをD2としたときに、D1とD2との比が、17/7≦D1/D2≦7、9/7≦D1/D2≦5/3のいずれかを満たすものである。
【００２４】
ここで、「検光子」は、互いに直交関係にある偏光成分に対して異なる透過率を示す光学素子であり、板状又はフィルム状のものに限られない。例えば偏光ビームスプリッタは、「検光子」として用いることができる。「分光光量を求める手段」としては、分光器を用いてもよいし、波長が走査される光源を用いてもよい。波長が走査される光源が用いられる場合の受光器は受光量を検出できるものであればよく、受光量の検出タイミングが光の波長と対応付けられる。
【００２５】
このような偏光分光装置を用いれば、第１の移相子の厚みと第２の移相子の厚みの比を少なくとも上記範囲とすることにより、計測原理に起因する、分光偏光パラメータの計測結果に含まれる系統誤差を低減することができる。
【００２６】
本明細書に詳述する理由により、前記D1とD2との比が、実質的に、D1/D2＝3を満たす場合が最も好ましい。
【００２７】
前記偏光分光装置と、偏光分光装置によって求められた分光光量を用いて測定対象領域に配置された測定対象物の分光偏光パラメータの少なくとも１つを求める演算装置とを組み合わせると、分光偏光計測装置を得ることができる。
【００２８】
ここで、「演算装置」は偏光分光装置と一体の装置としてもよいし、ネットワークを介するなどして偏光分光装置とは別の場所に設置してもよい。
【００２９】
「測定対象物」には、分光偏光計測の対象としたい分光偏光特性が未知の試料が含まれるほか、例えば位相の補償子のような、分光偏光特性が既知の偏光素子が光路上に置かれる場合においては、そのような偏光素子も「測定対象物」に含まれる。
【００３０】
前記偏光分光装置の投光光学系と検光子とを含む光学装置、又は前記偏光分光装置の投光光学系を含む投光装置は、移相子の特徴的な厚み比を実現しているサブユニットであって、これらを用いて分光偏光パラメータの計測を行うことにより課題を解決することができる。
【００３１】
本発明の分光偏光計測方法は、測定対象物を用意するステップと、前記偏光分光装置を用意するステップと、前記偏光分光装置を用いて測定対象物についての分光光量を求めるステップとを備えたものである。
【００３２】
実際に計測結果を得るためには、前記分光偏光計測方法に加えて、求めた分光光量を用いて、測定対象物の分光偏光パラメータの少なくとも１つを求めるステップを実行すればよい。このステップは、分光光量を求めるまでのステップとは別の場所で又は時間をおいて実行してもよい。
【００３３】
測定対象物の分光偏光パラメータの少なくとも１つを求めるステップにおいて、本明細書第２節に開示される理論にしたがい、第２の移相子の速軸の透過率及び遅軸の透過率を用いて演算がなされる、又は、より特定していえば、第２の移相子の速軸の透過率と遅軸の透過率の比の逆正接（γ2(σ)）を用いて演算がなされるようにしてもよい。この場合において、本明細書に開示される理論式と表現は異なるが数学的に等価な演算が行われる場合も含まれる。
【００３４】
測定対象物の分光偏光パラメータの少なくとも１つを求めるステップにおいて、γ2誤差項の影響を除去するための補正演算がなされるようにしてもよい。「γ2誤差項」については本明細書３．２節において説明されている。このようにすると、３．２節に詳述する理由により、計測原理に起因する系統誤差をさらに低減することができる。
【発明の効果】
【００３５】
２枚の移相子の厚み比が適切に設計された分光偏光計測装置を用いることにより、計測原理に起因する、分光偏光パラメータの計測結果に含まれる系統誤差を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
まず、第１節で、特許文献１の手法を一般化して説明する。当節での説明は数式的には特許文献１と等価ではあるが、本発明に繋がる理論を展開するため、特許文献１をより一般化し理論式を再構築した。次に第２節で、従来の理論式では考慮されていなかった誤差要因を考慮した理論式を説明する。第３節で、新たな理論式より導かれる発明の構成を説明し、最後に第４節で、誤差低減効果の実験実証を説明する。
【００３７】
１  試料の分光偏光パラメータを算出する理論：従来理論
特許文献１に示される偏光分光装置の構成を図１に示す。図示されていない移相子の厚み比を除き、図１に示された構成は本発明にも共通する構成である。図１に示される光学系は、光源７、偏光子Ｐ、移相子Ｒ１及びＲ２、検光子Ａ、分光器８から構成される。光源７を出た光は偏光子Ｐ、移相子Ｒ１、移相子Ｒ２を順に透過し、試料Ｄを反射又は透過し、検光子Ａを透過し、分光器８へと入射する。その後、分光器８において入射光のスペクトルが取得され、後述する手順により、試料の分光偏光パラメータ等が算出される。
【００３８】
移相子Ｒ１と移相子Ｒ２の速軸の方向は互いに４５°傾けられており、偏光子Ｐの透過軸の方向は移相子Ｒ２の速軸の方向と一致している。なお、図中では、移相子の速軸を「fast」遅軸を「slow」と表記している。また、θは、移相子Ｒ２の速軸に対する検光子の透過軸の方位角である。
【００３９】
ここで、移相子とは、互いに直交する直線偏光成分間の位相差を、素子透過前後で変化させる性質の素子である。この位相差の変化量をリタデーションと呼ぶ。また、この２つの直線偏光方向に沿って取った座標軸を主軸と呼び、そのうち、位相が相対的に速く進む直線偏光に沿った軸を速軸、他方の軸を遅軸と呼ぶ。
【００４０】
ここで、「分光偏光パラメータ」とは、本明細書においては、測定対象物の分光偏光特性を表すパラメータの意味で用いる。これは、測定対象物を反射あるいは透過することによって生ずる偏光変化を、定量的に表すために用いられるパラメータの総称である。エリプソメトリックパラメータΨ(σ)、Δ(σ)や複屈折媒質のリタデーションδ(σ)は、分光偏光パラメータの例である。なお、一般に、測定対象物の分光偏光特性は４×４のミューラー行列の１６の要素によって完全に表されるが、この１６の要素が全て独立な変数である場合は少なく、分光偏光計測においては、これらの全ての要素が高々２〜３のパラメータのみから決まる場合が多い。実用的には、分光偏光パラメータとしてこれらの独立なパラメータが求められればよい。さらには、独立か非独立かにかかわらず、分光偏光パラメータの一部を求めるだけで十分な用途もある。
【００４１】
また、このとき、試料のミューラー行列を
【数１】
0005140789.tif 000002
と記述する。
【００４２】
また、光の偏光度、楕円率角、方位角等をより効率的に表すためのパラメータとしては、ストークスパラメータ（Stokes Parameter）が使用される。このストークスパラメータは、以下の定義を有する４つのパラメータにより構成される。
S0 ： 全強度
S1 ： 方位０°、９０°直線偏光成分強度の差
S2 ： 方位±４５°直線偏光成分強度の差
S3 ： 左右円偏光成分強度の差
【００４３】
互いに直交する３軸をS1 ，S2 ，S3 とする三次元空間において原点を中心とする半径Ｓ０の球を想定すると、任意の光の偏光状態は、この三次元空間上の１点として表され、偏光度は次式で表される。
偏光度＝ （原点から点（S1 ，S2 ，S3 ）までの距離）/S0 
＝ （S21 ＋ S22 ＋ S23 ）1/2 /S0
【００４４】
ここで、ミューラー行列について図４を参照しながら説明する。ミューラー行列とは、測定対象となる試料や偏光素子等への反射や透過等の光の相互作用を表した行列である。例として、偏光状態１（State of Polarization １）として偏光状態がストークスパラメータＳ(σ)で表される光が試料へと入射し、偏光素子や試料等の測定対象物の影響を受け、偏光状態がＳ´(σ)で表される偏光状態２（State of Polarization ２）として出射した場合を考える（図４（ａ）参照）。このとき、測定対象のミューラー行列は、４×４の行列として図４（ｂ）で示される関係式で表される。
【００４５】
この測定対象のミューラー行列を一つのスペクトルより求めることが特許文献１の理論であるが、その理論を以下に、
１．投光部の役割
２．分光器で得られるスペクトルと試料の分光偏光パラメータの関係
３．各信号成分の復調の手順
４．分光擬ストークスパラメータの波数分解能について
５．計測試料の例
の順番で説明する。
【００４６】
１．１  投光部の役割  − チャネルドスペクトル偏光状態発生器（ＣＳＰＳＧ）
本節では、光学系の投光部（光源７、偏光子Ｐ、移相子Ｒ１及びＲ２）の役割を考える。これは、偏光状態が変調された光を射出する「偏光状態発生器」と定義することができる。これを特に「チャネルドスペクトル偏光状態発生器（Channeled Spectroscopic Polarization State Generator、以下ＣＳＰＳＧと呼ぶ）」と名付ける。この光学的意味合いを説明する。
【００４７】
図５にチャネルドスペクトル偏光状態発生器ＣＳＰＳＧの構成を示す。この光学系は、光源７から出射された光を、偏光子Ｐ、移相子Ｒ１及びＲ２を透過させる構成であり、図１の光源から試料手前までの構成要素と同じ構成となる。また、素子の方位角も図１と同じである。なお、図５では、偏光子Ｐ、移相子Ｒ１、移相子Ｒ２のそれぞれは密着しているように図示されているが、実際には、各素子間には空気または接着剤の層が存在する。このとき、ＣＳＰＳＧから出射される光は、偏光状態が波数軸に沿って変調された光となる。ＣＳＰＳＧから出射されるストークスベクトルＳＰＳＧ(σ)は、偏光子Ｐ、移相子Ｒ１、及び移相子Ｒ２のミューラー行列を用いた計算より、
【数２】
0005140789.tif 000003
となる。ここで、φj(σ)（j=1,2）は移相子Ｒｊ（j=1,2）のリタデーション、P0(σ)は光源のスペクトルである。
【００４８】
φj(σ)（j=1,2）は次式のように波数σに対して比例係数２πＬjで線形に変化する項と、非線形に変化する項Φj(σ)に分解できる。
φj(σ) = 2πB(σ)Djσ= 2πLjσ+ Φj(σ)，          （3）
ただし、
【数３】
0005140789.tif 000004
となる。ここで、Dj はＲjの厚さであり、Ｂ(σ)はその複屈折である。また、σ0は被測定光の中心波数を示す。以下、移相子のリタデーションφj(σ)を基準位相関数とよぶ。
【００４９】
今、Ｂ(σ)の分散（波数に対する変化率）がそれほど大きくないとするとΦj(σ)は小さくなり、式（３）からわかるように、φj(σ)は波数σに対してほぼ線形に増加することとなる。式（３）を式（２）に代入すると、
【数４】
0005140789.tif 000005
ただし、
【数５】
0005140789.tif 000006
となる。式（６）より、ＣＳＰＳＧから出射される光は、次の３つの特徴をもつ、波数軸に沿って変調された光であることがわかる。（ａ） S1(σ) は周期１／Ｌ１で擬似正弦的に変調されている。（ｂ）S2(σ) とS3(σ) は、両者とも、周期１／Ｌ−と１／Ｌ＋の、２つの擬似正弦的に変調された成分からなっている。（ｃ） S2(σ) とS3(σ) において、同じ周期の擬似正弦成分は、初期位相が互いに９０度異なっている。よって、ＣＳＰＳＧから出射された光は、４つストークスパラメータそれぞれが独立に異なる周期又は位相で変調された光と考えることができる。これより、このＣＳＰＳＧは完備な偏光状態発生器と言える。従来の構成は、この完備な偏光状態発生器であるＣＳＰＳＧと光源と検光子と分光器とを組み合わせ、測定対象物の分光偏光パラメータを求める構成であると定義することができる。
【００５０】
１．２  分光器で得られるスペクトルと試料の分光偏光パラメータの関係
本節では、分光器で得られるスペクトルについて図６を用いて説明する。ＣＳＰＳＧから出射光が、計測対象である試料と偏光状態計測器（polarization state analyzer (PSA)、以下PSAと略す）から構成されるブロックに入射され、そのブロックを透過（又は反射）した光が分光器に入射している。ここで偏光状態計測器（PSA）とは偏光状態を計測するために計測対象である試料と光電素子の間に設置される光学系の呼称である（参照：『Polarized Light Second Edition（ポラライズド ライト 第２版）』Dennis Goldstein （デニス ゴールドスタイン）著 P.533-534）。以下では、この試料とPSAを合わせたブロックをS-PSA(sample and PSA) ブロックと呼ぶ。なお、分光偏光パラメータが既知の偏光素子を試料の前又は後ろに設置していてもかまわない。ここで、S-PSAブロックの分光偏光パラメータの波数軸での変化が、ＣＳＰＳＧからの出射光の偏光状態の変動に比べ充分小さいと仮定し、S-PSAブロックの分光偏光パラメータを求める。S-PSAブロックの各素子のミューラー行例を掛け合わせたS-PSAブロック全体のミューラー行列をMa(σ)とおく。この時、分光器で得られるスペクトルは次式で示される。
【数６】
0005140789.tif 000007
【００５１】
これは、得られたスペクトルP(σ)がMa(σ) の１行目の４要素に依存していることを示す。なお、上の式では、分光器が細かい振動成分の振幅を減衰なく計測できていると仮定している。式（２）を式（１１）に代入し、分光器での計測時での振動成分の振幅の減衰を考慮すると、
【数７】
0005140789.tif 000008
ここで
【数８】
0005140789.tif 000009
となる。n0(σ)、n-(σ)、n1(σ)、n+(σ)は分光器が細かい振動成分に十分ついていけないことによる減衰振幅率を示し、以下では基準振幅関数と呼ぶ。式（１２）からわかるように、分光器から得られるスペクトルP(σ)には、４つの成分が含まれている。このうちの１つは波数σに対して緩やかに変動する成分であり、ma00(σ)に関する情報が含まれている。残りの３つは、波数σに対して振動する擬似正弦的な成分となっており、ma01(σ)又はma23(σ)に関する情報をもっている。これらを模式的に示したのが図７である。よって、信号P(σ)の各成分の振幅と位相を復調すれば、受光したスペクトルP(σ)よりMa(σ)の１行目の４要素ma0k (k = 0,1,2, 3)を求められることがわかる。なお、これら４要素ma0k (k = 0,1,2, 3)を特許文献１では試料の分光擬ストークスパラメータと命名していた。以下、本明細書でも便宜上、分光擬ストークスパラメータと命名する。この４つの分光擬ストークスパラメータの復調の手順を次節で説明する。
【００５２】
１．３  各信号成分の復調の手順
４つの分光擬ストークスパラメータma0k (k = 0, 1, 2, 3)の復調のための信号処理法の一つの手順として、「フーリエ変換法」を図８を参照しつつ説明する。
【００５３】
この方法では、チャネルド分光偏光計測装置内の分光器で測定されたスペクトルＰ（σ）をまず逆フーリエ変換する。得られるのは、分光器入射光の相関関数
【数９】
0005140789.tif 000010
ただし、
【数１０】
0005140789.tif 000011
である。ここで、hは光路差である。この相関関数C(h)は、図８の右上部に示されるように、各振動成分の周期の逆数０，±Ｌ−，±Ｌ１，±Ｌ＋を中心とする７つの成分を含むこととなる。
【００５４】
ここで、これらの周期の逆数０，±Ｌ−，±Ｌ１，±Ｌ＋を適当に設計すれば、C(h)に含まれる各成分を、h軸上で互いに分離することができる。なお、周期の逆数は式（４）より、移相子の複屈折率と厚みより決まる。このうちh =０，Ｌ−，Ｌ１，Ｌ＋を中心とする４つの成分を取り出して、各々をフーリエ変換すると、
【数１１】
0005140789.tif 000012
となる。よって、偏光計自体の特性のみで決まるパラメータである、
【数１２】
0005140789.tif 000013
を測定前に較正しておけば、４つの分光擬ストークスパラメータma0k (k = 0,1,2,3)が、上式より求められることがわかる。
【００５５】
なお、基準振幅関数と基準位相関数を測定前に較正する手順については、特許文献１に記述されているため、ここでは割愛する。
【００５６】
１．４  分光擬ストークスパラメータの波数分解能について
求まるパラメータの波数分解能は、分光偏光計測装置の性能において重要な指標である。ただし、チャネルド分光偏光計測装置においては、分光器によって離散的に取得されたスペクトルを図８に示すように逆フーリエ変換とフーリエ変換という処理後に分光擬ストークスパラメータが求まるため、それらの処理に伴う周波数特性が求めるパラメータの特性となる。この分光擬ストークスパラメータの周波数特性については、他方式の分光偏光計測装置においては波数分解能に相当する特性であり、使用者の立場では波数分解能と差異がないため、この特性をここでは、分光擬ストークスパラメータの波数分解能ということにする。なお、チャネルド分光偏光計測装置においては、分光器の波数分解能と分光擬ストークスパラメータの波数分解能は異なる値となることを注記する。
【００５７】
この節では、求まる分光擬ストークスパラメータの波数分解能を決める要因について、前節で使用した図８を参照しつつ説明する。また、分光器の波数分解能を考慮した時に、分光擬ストークスパラメータの波数分解能を最も高周波に適用できる最適な移相子の厚み比について述べる。
【００５８】
まず、分光擬ストークスパラメータの波数分解能が何によって決まるかを説明する。前節に述べたように、分光擬ストークスパラメータは図８の右下部にあるように各成分を取り出したものをフーリエ変換することにより求まる。ここで、図８の右上部から右下部の各成分を取り出す過程においては、関数C(h)に一定幅を持ち且つその中心が成分の中心と一致する窓関数を積算することにより求められる。窓関数は、フーリエ変換で一般的に用いられている矩形窓、ハニング窓、ハミング窓などがある。この窓関数の特性については、フーリエ変換の専門書に記述があるのでここでは割愛する。ここで重要なのは、フーリエ変換の特性により、求まる分光擬ストークスパラメータの波数分解能はこの窓関数の幅によって決まることである。この窓関数の幅が広いほうがフーリエ変換後に求まる分光擬ストークスパラメータの波数分解能は高くなる。逆に言えば、波数分解能を高くするためには、各成分を取り出す際に用いる窓関数の幅を広くする必要がある。しかしながら、窓関数の幅が広すぎると、他の成分が混ざってしまい、計測の誤差となる。よって、窓関数の幅は、図８の右上部から明らかなように、h軸上の各成分の間隔で制限される。よって、分光擬ストークスパラメータの波数分解能はh軸上の各成分の間隔が最も狭い場所での間隔で決まる。なお先に述べたように、ここで各成分の中心の位置Ｌ−，Ｌ１，Ｌ＋は、式（４）、（７）、（８）より移相子の厚みで決まるため、移相子の厚みの設計が重要となる。
【００５９】
次に、波数分解能が最も高くなる、移相子の厚み比について述べる。各成分の間隔をできるだけ広くすれば波数分解能は高くなるが、その際に、分光器の分解能の制限がある。よって、各成分の中で最も振動周期が高いＬ＋の許容される設計上の上限値が、分光器の分解能で制約される。この時、波数分解能は各成分の間隔の内で最も狭い場所によって決まるため、各成分の間隔を等間隔にする設計が最適な設計となる。各成分の間隔を等間隔にするには、式（４）、（７）、（８）より、２枚の移相子の厚み比は２：１であることが求まる。
【００６０】
１．５  計測試料の例
非特許文献２にある一例として、試料に薄膜試料、PSAに検光子を用い、試料から反射された光をPSAを通して分光器で受光して、薄膜試料のエリプソメトリックパラメータΨ(σ)，Δ(σ)を計測する光学系を示す（図９）。検光子の方位角を４５°としたとき、S-PSAブロックの各素子のミューラー行列を掛け合わせた４つの分光擬ストークスパラメータは、
【数１３】
0005140789.tif 000014
となる。この方程式を解くと、試料のエリプソメトリックパラメータΨ(σ)，Δ(σ)は
【数１４】
0005140789.tif 000015
となり、ma0k (k = 0,1,2,3)より求められることが理解できる。この実験結果が先に説明した非特許文献２に明記されている図２の計測結果となる。
【００６１】
また、他の一例として、複屈折性をもつ試料の透過光を計測し、その複屈折試料の方位角αとリタデーションδ(σ)を計測する光学系を考える（図１０）。前例と同様に、検光子の方位角を４５°としたとき、４つの分光擬ストークスパラメータは、
【数１５】
0005140789.tif 000016
となる。この方程式を解くと試料の方位角αとリタデーションδ(σ)は、
【数１６】
0005140789.tif 000017
となり、ma0k (k =0,1,2,3)より求められることが理解できる。
【００６２】
２  誤差要因を考慮した理論式
本発明の発明者らは従来手法では導き出されていなかった誤差要因とその要因を含めた理論式を見出した。
【００６３】
従来の理論では、２枚の移相子の透過率を同じであると仮定して、理論式が導出されていた。しかし、実際には、移相子の界面での透過率が屈折率で決まるため、速軸と遅軸の透過率は自ずから異なる。例えば、移相子を方解石としたときは、その速軸の透過率Tf (σ)及び遅軸の透過率Ts(σ)は波数1.54cm-1(波長650nm)で、それぞれTf (σ) = 0.92, Ts(σ) = 0.88となる。この速軸と遅軸の透過率の違いが、従来手法では導き出されていなかった誤差要因である。なお、ここでの透過率は、各移相子の界面は空気に接触しているものとし、移相子の前後両界面の透過率の積として計算した。
【００６４】
この誤差要因を説明するため、速軸と遅軸の透過率の違いを考慮した理論式を以下で導出する。２枚の移相子Ｒ１，Ｒ２の速軸と遅軸の透過率の比の逆正接をそれぞれγ1, γ2として
【数１７】
0005140789.tif 000018
と定義すると、式（１２）で求めていた分光器から得られるスペクトルP(σ)は次式の形に変わる。
【数１８】
0005140789.tif 000019
【００６５】
上記式で、各振動成分の振幅に、sin2γ1 sin2γ2、sin2γ1 、又は sin2γ2 cos2γ1 の係数が積算されているが、それらは基準振幅関数とn-(σ)、n1(σ)、n+(σ)、又はn2(σ)との積としてまとめて較正されるので、それらも基準振幅関数に含まれると考えてよい。よって式（３６）は次式の形となる。
【数１９】
0005140789.tif 000020
【００６６】
ここで、γ2の値は、偏光計自体の特性のみで決まるパラメータであり、例えば移相子Ｒ１，Ｒ２の屈折率とＲ１，Ｒ２の前後に存在する媒質（空気または接着剤）の屈折率より理論的に算出可能である。よって、γ2を事前に求めておき、式（３７）に代入することは可能であり、式（１２）と同様の考え方で、式（３７）より、Ma(σ)の１行目の４要素を求められると思われる。しかし、２枚の移相子の厚さの比によっては、回避不可能な誤差成分があることが式（３７）より説明できる。以下に、この誤差成分とこの誤差を回避する手法について説明する。
【００６７】
図１１に透過率の依存性を考慮した場合と、考慮していない場合、それぞれについて、パワースペクトルの模式図とチャネルドスペクトルを定式化したもの（式（３７）,（１２））を示す。式（３７）の５つの項は、第一項から順に、ＤＣ成分、Ｌ−成分、Ｌ１成分、Ｌ＋成分、Ｌ２成分である。移相子の透過率の結晶軸依存性を考慮すると、考慮しない場合では存在しないはずの振動成分（キャリア周波数L2 :cos (φ2 − Arg (m23))）の存在が明らかになる。以降、この振動成分を" 第５の振動成分"と呼ぶことにする。キャリア周波数は式（４）に示すように移相子の厚みに比例するため、移相子の厚みによっては、この" 第５の振動成分"（Ｌ２）が偏光計測に使用する振動成分（Ｌ−，Ｌ１，Ｌ＋）とオーバーラップする（図１２）。移相子Ｒ１、Ｒ２の厚みをそれぞれD1、D2とすると、移相子の厚みがD2 : D1 = 1 : 2の場合、Ｌ２＝Ｌ−となり、振動成分がオーバーラップし、偏光計測に誤差が生じる。" 従来の課題"で見られる誤差は、このオーバーラップによるものである。
【００６８】
３  発明の構成
３．１  移相子の厚み比の最適化
新しく見出した誤差要因に対応するため、偏光計測に使用する振動成分（Ｌ−，Ｌ１，Ｌ＋）と偏光計測に使用しない" 第５の振動成分"（Ｌ２）がオーバーラップしないよう、移相子厚み比D1，D2を適切な値にする(図１３)。言い換えると、式（３７）で表される５つの項が、フーリエ変換法によって互いに独立して分解できるよう、移相子厚み比D1，D2を適切な値にすることである。このように移相子の厚みを適切にすることで、透過率の違いによる誤差を回避することができる。
【００６９】
最適な厚み比は、１．４節で議論したように、波数分解能が最も高くなるときである。１．４節と同じ考え方により、最適な厚み比はＤＣ成分を加えた５つの成分の間隔が等間隔になる時である。よって５つの成分が等間隔になるD1/D2=3 (D1：D2 = 3 : 1)（図１４）が、最適な厚み比になる。これは透過率の違いを考慮しない場合、つまり第５の振動成分（Ｌ２）を無視した場合での最適な厚み比D1/D2=2とは異なる。
【００７０】
また、最適な厚み比でなくても偏光計測は可能である。計測に適切な移相子厚み比の設定には、ＤＣ成分を含めた５つの成分の間隔が重要である。この適切な移相子の厚み比の範囲を求める考え方を次の２つの考え方にそって説明していく。
考え方１：振動成分うち最も高周波な成分Ｌ＋の振動周波数を固定して考えた時
考え方２：振動成分の各成分の間隔のなかで最も小さな間隔を固定して考えた時
なお、後で示されるが、２つの考え方の結果は同じ結果になる。
【００７１】
[考え方１]
分光偏光計測装置に必要とする分光器の分解能を決めるＬ＋の値を一定として、図１５に、D1/D2≧1の時に縦軸に厚み比D1/D2をとり横軸に各振動成分Ｌ１，Ｌ２，Ｌ−，Ｌ＋をプロットした。またグラフの右側に、各振動成分の山の間隔で、最も間隔の狭い幅ΔＬminをプロットした。最適な厚み比は１．４節に示す考え方よりΔＬminが最も大きくなる比である。図より、ΔＬminが最も大きくなるD1/D2 = 3 (D1 : D2 = 3 : 1)が前述どおり最適であることがわかる。
【００７２】
つぎに、最適な厚み比D1/D2 = 3で得られる波数分解能に対して、１/２の波数分解能になる厚み比は不適切という基準により、適切な厚み比を示すことにする。１/２程度の波数分解能の劣化は分光偏光計測装置の実用的価値において大きな差はないと考えられるためである。図１５にΔＬminが最適値の１/２以下になる厚み比をハッチングで示した。数式の一覧として図１６にD1/D2 ≧ 1 の場合でのΔＬminを、Ｌ＋と厚み比D1/D2を用いて表した。D1/D2=3でのΔＬmin=1/4Ｌ＋に対して、ΔＬminが1/2倍の1/8Ｌ＋になる領域を求めると、適切な移相子の厚みは、
17/7≦D1/D2≦7                      （３８)
9/7≦D1/D2≦5/3                    （３９)
である。以上により、D1及びD2の厚み比は、式（３８），（３９）のいずれかを満足すれば、ある程度の波数分解能を維持したまま、速軸と遅軸の透過率の違いに起因する誤差を除去することが可能となる。
【００７３】
[考え方２]
発明が適用される具体的な用途が決まっているものとすると、分光偏光計測装置で求めることが必要なパラメータの波数分解能が与えられる。求められるパラメータの波数分解能を決めるΔＬminを一定として、図１７に、厚み比D1/D2≧1におけるさまざまな厚み比での、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ−，Ｌ＋をプロットした。最も高周波なＬ＋の振動周波数より、分光器に求められる分解能が決まる。Ｌ＋が最も小さくなるときに分光器の分解能が最も低くてよい。図１７よりＬ＋が最も小さくなるのはD1/D2 = 3 (D1 : D2 = 3 : 1)のときであり、この厚み比が最適であると考えることができる。
【００７４】
また、厚み比D1/D2=1,2の近傍や厚み比が大きい場合には、高分解能な分光器が必要になることがわかる。
【００７５】
そこで、最適な厚み比D1/D2=3において必要な分解能に対して２倍以上の分解能の分光器を必要とする厚み比は不適切という基準により、適切な厚み比の領域を示すことにする。２倍以上の分解能を得るためには、分光器の大きさを大きくする必要があるなどのため、コストアップや装置の大型化が必要となるためである。図１７にＬ＋が最小値の２倍以上になる厚み比をハッチングで示した。一覧として図１８にD1/D2≧1の場合でのＬ＋を、ΔＬminと厚み比D1/D2を用いて表した。D1/D2=3でのＬ＋= 4ΔＬminに対して、Ｌ＋が2倍の8ΔＬminになる領域を求めると、適切な移相子の厚みは、
17/7≦D1/D2≦7                  （４２）
9/7≦D1/D2≦5/3                （４３)
である。以上により、D1及びD2の厚み比は、式（４２），（４３）のいずれかを満足すれば、波数分解能を維持し、分光器の大幅なコストアップなしに、速軸と遅軸の透過率の違いに起因する誤差を除去することが可能となる。
【００７６】
３．２  移相子の速軸と遅軸の透過率を用いた演算
オーバーラップの課題を解決した時に、式（３７）にはまだ誤差要因が残る。その誤差要因は移相子の速軸と遅軸の透過率を、分光擬ストークスパラメータを算出する演算式に組込むことにより解決できる。その誤差要因とそれを解決する演算手法を本節で述べる。
【００７７】
式（１２）と式（３７）を比べた時に、第１項と第３項の成分より求められるパラメータが
【表１】
0005140789.tif 000021
と異なっている。よって、従来の計算手法だと、求めた擬ストークスパラメータm a 00 (σ)及びm a 01 (σ)にcos 2γ2 m a 01 (σ)及びcos 2γ2 m a 00 (σ)がそれぞれ誤差として加算される。この２つの付加項を「γ2誤差項」とよぶ。補正については、事前にγ2を求めておくことで、m a 00 (σ)及びm a 01 (σ)を変数とした連立方程式を解くと、誤差要因を除去したm a 00 (σ)及びm a 01 (σ)が求まる。連立方程式の解については容易であるため、割愛する。
【００７８】
なお、移相子の速軸と遅軸の透過率は、主に次の３つの手法のいずれかを用いて求めることができる。
（１）文献より入手できる移相子の屈折率および移相子の前後に存在する媒質の屈折率を用いて、理論的に算出して求める。
（２）分光擬ストークスパラメータが既知の状態で測定し、それにより求められる式（３７）第３項のcosφ1(σ)の係数（又は第１項）から、γ２を求める。分光擬ストークスパラメータが既知とすると、cosφ1(σ)の係数には未知数が２つ(γ2とn1(σ))であるため、２つ以上の状態を計測することで、連立方程式により求まる。
（３）移相子の前後の媒質を空気とする場合は、透過率を計測することができる機器を用いて、直接透過率を測定する。
【００７９】
４  誤差低減効果の実験実証
移相子の厚みを最適なD1/D2 = 3 にして、複屈折試料のリタデーションを計測した結果を図１９に示す。図３に示したD1/D2 = 2 の場合に比べ、回転補償子法（RCE）との誤差を大幅に改善することができた。
【実施例１】
【００８０】
以下に、本発明の好適な実施例を図２０〜図２４を参照しつつ、詳細に説明する。分光偏光計測装置の一実施例の構成図が図２０に示されている。同図に示されるように、この装置は、投光側ユニット２００と受光側ユニット３００とを備えている。なお、４００は試料である。
【００８１】
投光側ユニット２００は、電源２０１と、電源２０１から給電されて点灯する光源２０２と、光源２０２の出射方向前面側に配置されたピンホール板２０３と、ピンホール板２０３のピンホール通過光を平行光化するコリメートレンズ２０４と、コリメートレンズ２０４の前面側にあって通過光を開閉するシャッタ２０５と、シャッタ通過光が入射される偏光子２０６と、偏光子の透過光が順に透過する第１の移相子２０７及び、第２の移相子２０８を含んでいる。
【００８２】
第２の移相子２０８を通過後の光は投光側ユニット２００から出射されて、測定対象領域、すなわち試料が設置されることが予定されている領域に向けて出射される。測定対象領域に試料４００が設置されている場合、試料４００を透過又は試料４００で反射された光は、受光側ユニット３００へと入射される。
【００８３】
受光側ユニット３００内における入射光路上には、検光子３０１と、分光器３０２とが順に設置されている。ここで、第２の移相子２０８の速軸の方向と検光子３０１の透過軸の方向との相対角度は既知の角度となるよう設定されている。
【００８４】
分光器３０２内には、入射光を分光する回折格子３０２ａと、回折格子３０２ａにて分光された光がその受光面に入射されるＣＣＤ３０２ｂと、ＣＣＤ３０２ｂの受光出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３０２ｃとを含んでいる。Ａ／Ｄ変換器３０２ｃから得られるデジタル受光出力信号は、分光器３０２から取り出され、これがパソコン（ＰＣ）等のコンピュータ３０３にて処理される。
【００８５】
周知の通り、コンピュータ３０３は、マイクロプロセッサ等で構成される演算処理部３０３ａと、ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＨＤＤ等で構成されるメモリ部３０３ｂと、ディスプレイ，プリンタ，各種データ出力装置，通信装置等で構成される測定結果出力部３０３ｃとを含んでいる。
【００８６】
次に、分光偏光計測装置のセンサヘッド部に関するより具体的な構成図が図２１に示されている。センサヘッド部１００は光を出射する投光部１１０と、試料を反射又は透過した光を受光する受光部１２０と、それら投光部１１０と受光部１２０を保護するハウジング１３０とを含んでいる。なお、５０は試料である。
【００８７】
投光部１１０は光源（図示せず）から発せられた光を通過させる光ファイバーケーブル１１１と、光ファイバーケーブル１１１からの透過光を通過させるケーブルヘッド１１２と、ケーブルヘッド１１２からの通過光を平行光化するコリメートレンズ（投光レンズ）１１５と、コリメートレンズ１１５の前面側にあって入射光を透過させる偏光子１１６と、偏光子からの出射光が順に透過する第１の移相子１１７及び第２の移相子１１８と、これらの光学系をハウジング１３０に据え付ける光学系保持部材１１３及び取り付け部材１１４を含む。なお、実線１１９は投光部１１０内を通過する光の投光軸である。
【００８８】
受光部１２０は、試料５０に反射又は透過された光を透過させる検光子１２２と、検光子１２２からの透過光を集光させる受光レンズ１２３と、受光レンズ１２３を経た光を通過させるケーブルヘッド１２６と、分光器（図示せず）へと接続される光ファイバーケーブル１２７と、これらの光学系をハウジング１３０に据え付ける取り付け部材１２４及び光学系保持部材１２５とを含む。なお、実線１２１は試料５０に反射又は透過された光の受光軸である。
【００８９】
測定に入る前に、２つの事前較正を行う。１つめの事前較正手順１のフローチャートが図２２に示されている。まず、ステップ２００１では、移相子１１８の透過率を用いて、式（３５）よりγ２を算出する。
【００９０】
次にステップ２００２では、算出したγ２がメモリ部３０３ｂに保存され、これにより事前較正１が完了する。
【００９１】
次に事前較正手順２のフローチャートが図２３に示されている。同図に示されるように事前較正手順として、先ず、ステップ２１０１では、装置に光を入射させる。ただし、この装置において、第２の移相子２０８の速軸の方向と検光子３０１の透過軸の方向との相対角度は既知の角度となっており、第２の移相子２０８と検光子３０１との間には光の偏光状態を変化させる素子は配置されていないものとする。
【００９２】
次に、ステップ２１０２では、分光器にて、検光子３０１からの透過光における分光光量を測定する。このとき、不要な光、例えば迷光の影響を低減させるのにシャッタ２０５を活用できる。具体的には、シャッタ開と閉それぞれの状態で測定されたスペクトルの差をとれば、不要光分のスペクトルは相殺される。
【００９３】
次に、ステップ２１０３では、受光した光の分光光量を分光器よりコンピュータ３０３に転送して演算処理部３０３ａにおける演算に供する。
【００９４】
次に、ステップ２１０４では、コンピュータ３０３において、演算処理部３０３ａはメモリ部３０３ｂよりγ２を取得する。
【００９５】
次に、ステップ２１０５では、演算処理部３０３ａにて、受光した光の分光光量とγ２より、基準位相関数と基準振幅関数が算出される。
【００９６】
次に、ステップ２１０６では、算出した基準位相関数と基準振幅関数がメモリ部３０３ｂに保存され、これにより事前較正手順２が完了する。
【００９７】
次に、測定手順のフローチャートが図２４に示されている。同図に示されるように、測定手順として、先ず、ステップ２２０１においては、装置に光を入射させる。
【００９８】
次に、ステップ２２０２では、分光器３０２にて試料４００を反射又は透過した後、検光子３０１を透過した透過光の分光光量を計測する。このとき、不要な光、例えば迷光の影響を低減させるのにはシャッタ２０５を活用することができる。具体的には、シャッタ開と閉それぞれの状態で測定されたスペクトルの差をとれば、不要光分のスペクトルは相殺される。
【００９９】
次に、ステップ２２０３では、透過光の分光光量を分光器３０２よりコンピュータ３０３へと転送して、演算処理部３０３ａにおける処理に供する。
【０１００】
次に、ステップ２２０４では、コンピュータ３０３において、演算処理部３０３ａはメモリ部３０３ｂより基準位相関数と基準振幅関数とγ２を取得する。
【０１０１】
次に、ステップ２２０５では、コンピュータ３０３において、演算処理部３０３ａは測定した分光光量、及び基準位相関数・基準振幅関数を用いて、基準位相関数の変化量（Δφ２及びΔφ１）を算出する。なお、基準位相関数の変化量を求める理論及び手法について本明細書では割愛しているが、特許文献１と同じ手法が適応でき、特許文献１の段落０１７４〜０２１６に明記されている。
【０１０２】
次に、ステップ２２０６では、コンピュータ３０３において、演算処理部３０３ａは測定した分光光量、基準位相関数・基準振幅関数の変化量、およびγ２を用いて、分光擬ストークスパラメータを算出する。
【０１０３】
次に、ステップ２２０７では、コンピュータ３０３において、演算処理部３０３ａは試料４００の分光偏光パラメータを出力する。このとき、測定結果出力部３０３ｃとしては、メモリ、ハードディスク、他の処理部（膜厚、複素屈折率算出部等）などを挙げることができる。
【０１０４】
以上説明したように、この実施例の分光偏光計測装置においては、図２０及び図２１に示されるシステム構成において、図２２及び図２３に示される事前較正手順並びに図２４に示される測定手順を経ることにより、試料の分光偏光パラメータを算出するものである。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】偏光分光装置の構成を示す図である。
【図２】従来の装置による実験結果を示す図である。
【図３】従来の装置による複屈折試料のリタデーションの測定結果を示す図である。
【図４】分光偏光計測に関する説明図である。
【図５】チャネルドスペクトル偏光状態発生器ＣＳＰＳＧの構成図である。
【図６】ＣＳＰＳＧを用いた分光偏光計測を説明する図である。
【図７】分光器から得られるチャネルドスペクトルとその４つの成分との関係を示す説明図である。
【図８】フーリエ変換法の説明図である。
【図９】薄膜試料のエリプソメトリックパラメータを求める光学系を示す図である。
【図１０】複屈折試料の方位角とリタデーションの計測に関する説明図である。
【図１１】移相子の透過率の結晶軸依存性によって生じる第５の振動成分を説明する図である。
【図１２】移相子の厚み比によって振動成分が重なることを説明する図である。
【図１３】振動成分が重ならない状態について説明する図である。
【図１４】移相子の厚み比が３：１の場合の振動成分を示す図である。
【図１５】最も高周波な振動成分の振動周波数Ｌ＋を固定した場合の移相子の厚み比の影響を説明する図である。
【図１６】移相子の厚み比の範囲に応じてΔＬminを求める式を示す図である。
【図１７】振動成分の最も小さな間隔ΔＬminを固定した場合の移相子の厚み比の影響を説明する図である。
【図１８】移相子の厚み比の範囲に応じてＬ＋を求める式を示す図である。
【図１９】本発明を適用して複屈折試料のリタデーションを計測した結果を示す図である。
【図２０】分光偏光計測装置の一実施例の構成図（その１）である。
【図２１】分光偏光計測装置の一実施例の構成図（その２）である。
【図２２】事前較正手順１を示すフローチャートである。
【図２３】事前較正手順２を示すフローチャートである。
【図２４】測定手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０６】
７      光源
８      分光器
５０    試料
１００  センサヘッド
１１０  投光部
１１１  光ファイバケーブル
１１２  ケーブルヘッド
１１３  光学系保持部材
１１４  取り付け部材
１１５  コリメートレンズ
１１６  偏光子
１１７  第１の移相子
１１８  第２の移相子
１１９  投光軸
１２０  受光部
１２１  受光軸
１２２  検光子
１２３  受光レンズ
１２４  取り付け部材
１２５  光学系保持部材
１２６  ケーブルヘッド
１２７  光ファイバケーブル
１３０  ハウジング
２００  投光側ユニット
２０１  電源
２０２  光源
２０３  ピンホール板
２０４  コリメートレンズ
２０５  シャッタ
２０６  偏光子
２０７  第１移相子
２０８  第２移相子
３００  受光側ユニット
３０１  検光子
３０２  分光器
３０３  コンピュータ
３０２ａ  回折格子
３０２ｂ  ＣＣＤ
３０２ｃ  Ａ／Ｄ変換器
３０３ａ  演算処理部
３０３ｂ  メモリ部
３０３ｃ  測定結果出力部
４００  試料
Ａ      検光子
Ｄ      光を反射または透過させる試料
Ｐ      偏光子
Ｒ１    移相子
Ｒ２    移相子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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