(57)【要約】【課題】光ファイバを経由して入射される試料からの光を、分光器を用いて受光し試料の分光偏光パラメータを計測する分光偏光計測装置において、光ファイバの曲げ状態の変化による計測値への影響を除去し、計測を安定化させる。【解決手段】分光器２０を用いて試料３０の分光偏光パラメータを計測する分光偏光計測装置１０は、試料３０からの光を受光する受光光学系５２を含む。受光光学系５２は検光子１６等で受光した光を分光器２０に送る光ファイバ１８と、光ファイバ１８の直前に設けられ、試料からの光を分散させる拡散板１９とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
投光手段によって試料に投光し、試料を透過または反射した光を受光し、分光器を用いて試料の分光偏光パラメータを計測する分光偏光計測装置であって、
前記投光手段は、試料に入射する光の進行方向を分散させる分散投光手段を含み、
試料からの透過光または反射光を受光する受光手段と、
前記受光手段で受光した光を前記分光器に送る光ファイバと、
前記光ファイバの出口に設けられ、前記光ファイバから出射した光の一部のみを前記分光器が受光するよう前記光ファイバの出口開口寸法を制限する出口開口制限手段とを含み、
前記光ファイバが前記受光手段からの光を受ける部分に設けられ、試料からの光を分散させる拡散手段を含むことを特徴とする、分光偏光計測装置。
【請求項２】
前記受光手段は試料からの光を集光する集光手段を含み、前記拡散手段は前記集光手段による集光部に設けられる、請求項１に記載の分光偏光計測装置。
【請求項３】
前記分光偏光計測装置はエリプソメータである、請求項１または２に記載の分光偏光計測装置。
【請求項４】
前記分光偏光計測装置は、チャネルド分光偏光計測装置である、請求項１から３のいずれかに記載の分光偏光計測装置。
【請求項５】
前記受光手段は試料からの反射光を受光する、請求項４に記載の分光偏光計測装置。
【請求項６】
前記受光手段は試料からの透過光を受光する、請求項４に記載の分光偏光計測装置。
【請求項７】
前記投光手段、前記受光手段、および、前記拡散手段はセンサヘッドに一体的に収納され、前記拡散板手段は前記センサヘッドの光の出射端部に設けられる、請求項１から６のいずれかに記載の分光偏光計測装置。
【請求項８】
前記分光器は、前記光ファイバで送られた試料からの光を測定するための光電変換素子と、前記光電変換素子に試料からの光を照射するためのコリメートレンズを含み、
前記コリメートレンズの前記光ファイバ側には、前記コリメートレンズの中央部のみに試料からの光が入射されるように入射光を制限するアパチャが設けられる、請求項１から７のいずれかに記載の分光偏光計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、分光偏光計測装置に関し、特に、光ファイバを用いた分光偏光計測装置に関する。
【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、波長毎に求め、それらから測定対象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を計る装置、すなわち分光偏光計測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】
この分光エリプソメトリにおいては、測定対象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、すなわち、「分光偏光パラメータ」を用いて測定対象物の計測を行う。エリプソメトリックパラメータΨ(λ)、Δ(λ)や複屈折媒質のリタデーションδ(λ)は、分光偏光パラメータの例である。なお、ここでλは光の波長を示す。
【０００７】
このエリプソメトリックパラメータを用いた分光偏光計測方法の詳細がたとえば、特開２００６−３０８５５０号公報（特許文献１）に記載されている。
【０００８】
図９は、チャネルド分光偏光計測法（チャネルド型）を利用した分光偏光計測装置により、試料の微小領域の分光偏光パラメータを求める場合の構成を示す。図９（ａ）は分光偏光計測装置１００の全体構成を示し、図９（ｂ）から（ｅ）は、分光偏光計測装置１００を構成する各光学素子の光学軸を示す図である。図９（ａ）を参照して、分光偏光計測装置１００は、投光光学系１０１と、投光光学系１０１から出射して試料３０において反射した光を受光する受光光学系１０２と、分光偏光パラメータを検出する分光器２０とを含み、受光光学系１０２と分光器２０との間は光ファイバ１８で接続されている。
【０００９】
ここでは、試料３０からの反射光を用いているため、分光偏光計測装置は、エリプソメータとして使用されている。
【００１０】
投光光学系１０１は、光源１１と、光源１１からの光を試料載置台３１上の試料１１に照射するための偏光子１３、移相子Ｒ１及びＲ２、集光レンズ１４とを含む。光源１１を出た光は偏光子１２、移相子Ｒ１、移相子Ｒ２を順に透過する。２枚の移相子Ｒ１，Ｒ２を透過した光は、集光レンズ１４によって試料３０上の微小領域へと照射される。集光レンズ１４は、試料３０に入射される光の進行方向を分散させるため、分散投光手段として作動する。
【００１１】
受光光学系１０２は、試料１１からの反射光を集光するコリメートレンズ１５と、検光子１６と、集光レンズ１７とを含む。試料３０で反射した光は、コリメートレンズ１５によって再度平行光化されて検光子１６を透過し、集光レンズ１７により光ファイバ１８に入射され、その後、分光器２０に入射される。
【００１２】
図９（ｂ）から（ｅ）に示すように、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１３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１６の透過軸の方位角である。
【００１３】
ここで、移相子Ｒ１，Ｒ２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。なお、このような構成を有する分光偏光計測装置１０をチャネルド分光偏光計測装置という。
【００１４】
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波長に依存する。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２０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、試料の分光偏光パラメータとしてエリプソメトリックパラメータΨとΔを求めることができる。処理の詳細は、特許文献１と同じである。
【特許文献１】特開２００６−３０８５５０号公報（段落番号０２１７等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
図１０（ａ）は、図９に示した分光偏光計測装置１００で計測された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）のうち、Ψ（λ）を示したグラフである。横軸は波長を示し、縦軸は分光偏光パラメータΨを示す。
【００１６】
計測した試料はSi基板上のＳｉＯ２自然酸化膜である。光ファイバ１８の回転半径や回転方向などの曲げ状態をさまざまに変えながら、同一試料の同一ポイントを４回計測した結果を同じグラフに重ねてプロットしている。図に示すように、光ファイバ１８の曲げ状態を変えると、Ψ（λ）の計測値がばらばらであり、上下にシフトしていることがわかる。この計測値のシフトは、計測値と理論値のフィッティングにより膜厚や膜質を求める場合の誤差となる。
【００１７】
図１０（ｂ）は、図９（ａ）の各光ファイバ１８の曲げ状態の計測値から、膜厚と入射角を求めた場合の結果である。ＳｉＯ２の膜厚と入射角を未知の変数として、計測値と理論値との二乗誤差が最も小さくなる膜厚と入射角の組み合わせを求めた。
【００１８】
この結果を見ると、入射角の最大値と最小値との間に最大０．１５ｄｅｇ（度）のバラつきが発生しており、特に入射角に誤差が大きく現れていることがわかる。
【００１９】
なお、この現象は、チャネルド分光偏光計測法だけではなく、回転検光子法や回転移相子法などにも共通の課題である。
【００２０】
この発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、光ファイバを経由して入射される試料からの光を、分光器を用いて受光し、試料の分光偏光パラメータを計測する分光偏光計測装置において、光ファイバの曲げ状態の変化による計測値への影響を除去し、計測を安定化させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
この発明に係る分光偏光計測装置は、投光手段によって試料に投光し、試料を透過または反射した光を受光し、分光器を用いて試料の分光偏光パラメータを計測する。投光手段は、試料に入射する光の進行方向を分散させる分散投光手段を含み、試料からの透過光または反射光を受光する受光手段と、受光手段で受光した光を前記分光器に送る光ファイバと、光ファイバの出口に設けられ、光ファイバから出射した光の一部のみを分光器が受光するよう光ファイバの出口開口寸法を制限する出口開口制限手段とを含み、光ファイバが受光手段からの光を受ける部分に設けられ、試料からの光を分散させる拡散手段を含むことを特徴とする。
【００２２】
ここで、分散投光手段とは、試料に光を集光させる働きを有するもので、一般にはレンズや凹面鏡などが用いられる。
【００２３】
また、出口開口制限手段とは、光ファイバの後方に設置されていて、光ファイバから出射する光の開口（ＮＡ）を制限するものであり、たとえば、分光器内部の入射側スリットの後方、入射スリット幅の数十倍以上の位置に設置された光を遮る手段を指す。スリットの後方に設置されるコリメートレンズやミラーの外形そのものが開口制限手段となることもある。
【００２４】
ここで、拡散手段は、光を透過させてさまざまな方向の成分に分ける機能を有するものであり、拡散手段が平板状でその平面に光が入射する場合には、その平面に垂直な光成分が最も強くなるような機能を有するのが好ましい。
【００２５】
好ましくは、受光手段は試料からの光を集光する集光手段を含み、拡散手段は集光手段による光の集光部に設けられる。
【００２６】
分光偏光計測装置はエリプソメータであってもよく、分光偏光計測装置は、チャネルド分光偏光計測装置であってもよい。
【００２７】
また、受光手段は試料からの反射光を受光してもよいし、試料からの透過光を受光してもよい。
【００２８】
この発明の一つの実施の形態においては、投光手段、受光手段、および、拡散手段はセンサヘッドに一体的に収納され、拡散板手段はセンサヘッドの光の出射端部に設けられる。
【００２９】
分光器は、光ファイバで送られた試料からの光を測定するための光電変換素子と、光電変換素子に試料からの光を照射するためのコリメートレンズを含み、コリメートレンズの光ファイバ側には、コリメートレンズの中央部のみに試料からの光が入射されるように入射光を制限するアパチャが設けられてもよい。
【発明の効果】
【００３０】
試料からの反射光を受光して分光器に送る光ファイバの入射部に試料からの光を分散させる拡散手段を設けたため、試料を反射または透過した光は、試料に入射する角度に拘わらず、広い角度範囲に分散して光ファイバに入射する。
【００３１】
その結果、試料からの光を、光ファイバを介して分光器に送る分光偏光計測装置において、光ファイバの曲げ状態の変化による計測値への影響を除去し、計測を安定化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下に、この発明の一実施の形態について説明する。まず、この発明の課題となった、光ファイバの曲げ状態によって計測値が異なる理由について説明する。
（１）光ファイバの曲げ状態によって計測値が異なる理由
発明者らは、上記課題を見出したとき、なぜこのような現象が生じるのかを検討した。以下にその内容について説明する。
【００３３】
図１１は集光レンズで集光され、異なる角度で試料３０に入射する各光成分を示す図である。図中の光成分Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ、入射角θ１、θ２、θ３の異なる入射角で試料に入射する各光成分を示す。求める分光偏光パラメータΨとΔは、試料３０の膜構造および試料３０に対する入射角θ１、θ２、θ３に依存しているため、図中の光成分Ａ、Ｂ、Ｃは試料３０を反射後、それぞれ異なるΨとΔの情報を伝送して光ファイバ１８に入射される。分光器２０で受光する信号は、これらの異なる角度で入射した各成分の総和であり、その総和から得られる分光偏光パラメータΨとΔは、入射角θ１、θ２、θ３に依存して異なるΨとΔの情報を、各入射角成分の受光量で重み付け平均した値となる。したがって、異なる角度で試料に入射した各光成分の受光量が変化し、重み付けの比率が変われば計測値は変化する。
【００３４】
図１２（ａ）および（ｂ）は光ファイバ１８の入射端面１８ａに、異なる方向から入射してくる図１１に示した各光成分Ａ,Ｂと、それぞれの光ファイバ１８の出射端面１８ｂからの出射する光の状態を示す図であり、図１２（ｃ）および（ｄ）は、光ファイバ１８内部への入射角度と出射角度との分布を表す模式図である。
【００３５】
図１２（ａ）〜（ｄ）において、破線は光成分Ａを、実線は光成分Ｂを表す。図１２（ａ）、（ｂ）を参照して、Ａ,Ｂの光は、光ファイバ１８の入射端面１８ａに入射角αで入射し、ファイバ内部への透過時にスネルの法則に従って屈折し角度βにてファイバ内部へ進行する。
【００３６】
図１２（ｃ）は、光ファイバ１８内部への入射角ごとの光強度分布を、入射端面１８ａに垂直な軸を０ｄｅｇとして示したものであり、図１２（ｄ）は出射時の出射端面１８ｂにおける出射角ごとの強度分布を、出射端面１８ｂに垂直な軸を０ｄｅｇとして示したものである。光Ａは光ファイバ１８内部で反射を繰り返し、旋回しながら進行するため、中空の円錐状に広がって出射する。一方、光Ｂは光ファイバ１８内部でほとんど反射せずに進行するため、出射角度は０ｄｅｇを中心としてやや広がったものとなる。
【００３７】
図１２（ｃ）の光Ａ、Ｂのように、光ファイバ１８内部への入射角度が異なると、ファイバ内部伝播時の進行経路も異なるため、図１２（ｄ）の光Ａ，Ｂのように異なった出射角度分布をもつ。一方、光ファイバ１８内部への入射角度分布が同じであれば、ファイバ内部伝播時の進行経路も同じとなるため、出射角度の分布も等しくなる。
【００３８】
図１３は分光器２０の内部の構成を示す図である。図１３を参照して、分光器２０は、入射スリット２１と、入射スリット２１を通過した光を平行光にするためのコリメートレンズ２３と、回折格子２４と、回折格子２４で回折された回折光をＣＣＤ２６上に集光するための集光レンズ２５と、ＣＣＤ２６とを含む。入射スリット２１は光ファイバ１８の出射端１８ｂの直後に設置されており、入射スリット２１を通過した光束は、コリメートレンズ２３で平行光にされた後に回折格子２４に入射し、波長ごとに所定の回折角で射出された後、集光レンズ２５で集光されて、波長分散方向に置かれたＣＣＤ２６に入射される。
【００３９】
なお、ここではコリメートレンズおよび集光レンズを用いて説明しているが、同様の効果を持つミラーでもよい。
【００４０】
光学系の明るさを示すＦ値(コリメートレンズ２３の焦点距離／回折格子２４の直径)が小さいほど分光器２０は明るくなるが、収差も増大するためＣＣＤ２６への結像性能が悪くなり分解能も低下する。このため、一般にはコリメートレンズ２３の開口を小さくして信号光を制限するような構造になっており、光ファイバ１８からの光のすべてを利用するわけではない。 すなわち、光ファイバ１８から出射し入射スリット２１を透過した光のうち、コリメートレンズ２３の所定の開口範囲の光のみを平行光化し、回折格子２４で分光してＣＣＤ２６で受光するために、コリメートレンズ２３の開口を制限する開口制限手段２２が設けられている。このため、分光器２０に入射したある波長λの光を考えたとき、図１３に示すように、開口制限手段２２で遮られない、光軸の中央部分２８ａで示す部分のみがコリメートレンズ２３に入射して、最終的にＣＣＤ２６に入射され、斜線２８ｂで示した開口制限手段２２で遮られた光は入射されない。
【００４１】
図１４は、光ファイバ１８からの出射角と、コリメートレンズ２３を通過して平行光化される光量との関係を表す図である。光ファイバ１８を出射した光は、図１４（ａ）に示すように光ファイバ１８からの出射角に依存して、コリメートレンズ２３を通過する光量が変化する。
【００４２】
図１４（ｂ）は光ファイバ１８から出射した光のうち、コリメートレンズ２３を透過する光量の割合（レンズ通過率）を光ファイバ１８からの出射角ごとにプロットしたグラフである。コリメートレンズ２３の通過率分布は、入射スリット２１の幅やコリメートレンズ２３の位置や大きさによって決まり、光ファイバ１８の出射端面１８ｂに対して垂直な方向を０degとすると、図１４（ｂ）に示すグラフのようになる。これは、光ファイバ１８の出射端面１８ｂからの出射角度が一定の範囲を超える光（図１３において２８ｂで示す範囲の光）はコリメートレンズ２３に入射しないことを示している。
【００４３】
図１５は光ファイバ１８に異なる角度で入射した光Ａ，Ｂの成分と、最終的に分光器２０で受光する信号との関係を示す図である。図１５（ａ）は光ファイバ１８からＣＣＤ２６への光の経路を示す図であり、（ｂ）は光ファイバ１８からの光ごとの出射角度を示すグラフであり、（ｃ）は図１４（ｂ）で示したコリメートレンズの透過率を示すグラフであり、図１５（ｄ）はＣＣＤ２６に到達する光の強度を示すグラフである。
【００４４】
図１２で示したように、図１５（ａ）の光成分Ａ、Ｂのように光ファイバ１８の入射端面１８ａへの入射角が異なると、図１５（ｂ)に示すように光ファイバ１８からの出射角も異なる。また、図１４で示したように、図１５（ｂ）の出射角度で光ファイバ１８から出射した光のうち、コリメートレンズ２３の開口範囲（図中点線で示す範囲）内の光のみが受光されて、ＣＣＤ２６に到達する。すなわち、光ファイバ１８からの出射角度とＣＣＤ２６に到達する光量との関係は、図１５（ｂ）の出射角度分布と、図１５（ｃ）のレンズ通過率分布の積で表され、図１５（ｄ）に示すグラフのようになる。
【００４５】
すなわち、図１５（ａ）で光ファイバ１８に異なる角度で入射した各成分Ａ,Ｂの受光量は、図１５（ｄ）の実線及び破線を、ファイバからの出射角度に対して積分した量で表される。
【００４６】
したがって、異なる入射角で試料に入射し、異なる分光偏光パラメータを伝播する各成分は、図１５（ａ）のように異なる角度で光ファイバ１８に入射し、図１５（ｄ）の積分値で表される光量がＣＣＤ２６に到達するが、計測される分光偏光パラメータは、これら各成分の光量で重み付けされた値となる。
【００４７】
以上に基づいて、光ファイバ１８の曲げの影響について説明する。図１６（ａ）は光ファイバ１８へ異なる角度で入射する光Ａ、Ｂの入射強度を入射角ごとに示す図であり、図１６（ｂ）から（ｄ）は光ファイバ１８を上に凸に折曲げた場合（曲げ状態Ｘ）の光Ａ，Ｂの入射および出射状態、光ファイバ１８からの出射角度、および、ＣＣＤでの受光強度を示す図であり、図１６（ｅ）から（ｇ）は、光ファイバ１８を曲げ状態Ｘとは曲げ径や曲げ方向が異なる曲げ状態Ｙのファイバへ入射した場合の図１６（ｂ）から（ｄ）に対応する図である。
【００４８】
図１６（ａ）に示すように、光Ｂは入射角０ｄｅｇで光ファイバ１８内部に入射し、光Ａは入射角βで光ファイバ１８内部に入射している。図１６（ｂ）に示すように、光ファイバ１８を状態Ｘのように曲げた場合、光Ａはファイバ内部で反射を繰り返し、旋回しながら進行するため、中空の円錐状に広がって出射する。光Ｂはファイバ内部でほとんど反射せずに進行するため、出射角度は０ｄｅｇを中心としてやや広がった分布となる。
【００４９】
ここで、図１６（ｅ）に示すように、光ファイバ１８を状態Ｙのように大きく曲げた場合、ファイバが曲げられた部分では内部に進行する光の反射条件が状態Ｘの場合と異なるため、光Ａ，Ｂいずれも状態Ｘのときとは異なる角度分布でファイバから出射する。すなわち、光ファイバ１８の曲げ状態が図１６（ｂ）に示す状態から図１６（ｅ）に変わった場合、各光成分の出射角度分布は図１６（ｃ）に示す状態から図１６（ｆ）のように変化し、最終的に分光器２０で受光する光量も図１６（ｄ）に示す状態から図１６（ｇ）のようにそれぞれ変化する。図１６の例では、図１６（ｄ）から図１６（ｇ）のように光成分Ａの受光量は増加し、成分Ｂの受光量は減少する。
【００５０】
図１７は、光ファイバ１８の曲げ状態を図１６のＸからＹに変えた場合の、分光器２０で受光する信号の、試料に対する入射角に対する分布を示す図である。図中、実線は光ファイバ１８の曲げ状態がＸのときの受光量を示す図であり、点線は光ファイバ１８の曲げ状態がＹのときの受光量を示す図である。ここに示した例では、光ファイバ１８の曲げ状態をＸからＹに変えた場合、入射角θ１で試料に入射した成分Ａの受光量は増加し、入射角θ２で試料に入射した成分Ｂの受光量は減少することを示している。
【００５１】
計測される分光偏光パラメータは、各入射角の分光偏光パラメータの情報を、各入射角の受光強度で重み付けた平均値となるため、光ファイバ１８の曲げ状態がＸとＹとでは計測される分光偏光パラメータは異なる。このため、図１０（ｂ）に示したように、入射角の計測値がばらつく。
【００５２】
なお、図には参考のために、光ファイバ１８に入射した全光の受光量を二点鎖線で示している。図に示すように、光ファイバ１８に入射した全ての光を用いた場合には、このような問題は生じない。
（２）発明の第１実施の形態
発明者らは、上記検討結果に基づき、光ファイバ１８の曲げ状態の影響を受けない分光偏光計測装置を考えた。図１はこの発明の第１実施の形態に係る分光偏光計測装置を示す図である。この実施の形態に係る分光偏光計測装置１０はチャネルド型のエリプソメータである。分光偏光計測装置１０は、基本的に図９に示した分光偏光計測装置１００と同様の構成を有しており、投光光学系（投光手段）５１と、投光光学系５１から出射して試料３０において反射した光を受光する受光光学系（受光手段）５２とを含む。投光光学系５１は、図９に示した投光光学系１０１と同じである。受光光学系５２は、図９に示した受光光学系１０２に対して、集光レンズ１７の集光部分に拡散板１９が設けられている点が異なる。集光レンズは集光手段として作動する。
【００５３】
すなわち、この発明の実施の形態における分光偏光計測装置１０は、受光光学系５２からの光を受光する光ファイバ１８の直前に光を拡散させる拡散手段としての拡散板１９が設けられている点が従来の分光偏光計測装置１００と異なる。それ以外の点については従来の分光偏光計測装置１００と同様であり、試料１１からの光はコリメートレンズ１５を介して検光子１６へ送られ、検光子１６からの光は集光レンズ１７で集光されて拡散板１９を介して光ファイバ１８を経由して分光器２０に入射される。
【００５４】
図２は図１に示した拡散板１９の役割を説明するための図である。図２（ａ）は拡散板１９と光ファイバ１８との接続部および光ファイバ１８の出射端部１８ｂにおける光成分ＡおよびＢの入射および出射状態を示す図である。図２（ｂ）、（ｃ）、および、（ｄ）はそれぞれ、拡散板１９へ入射される光成分ＡおよびＢの入射強度、光ファイバ１８の入射端部１８ａへ入射される光成分ＡおよびＢの入射強度、および、光ファイバ１８の出射端部１８ｂにおける光成分ＡおよびＢの出射強度を示すグラフである。図２（ｂ）および（ｄ）は、それぞれ、拡散板１９が設けられない、従来の図１２（ｃ）および（ｄ）に対応する図である。
【００５５】
ここで、拡散手段となる拡散板１９は、光を透過させてさまざまな方向の成分に分ける機能を有し、拡散板１９に入射した光は、その面に垂直な光成分が最も強くなるように光を拡散する。拡散板１９は、たとえば、スリガラスのようなものである。
【００５６】
したがって、拡散手段としては、ここで説明する拡散板１９に限らず、上記機能を有する、半透明のフィルムやシートも含まれる。
【００５７】
図２（ａ）に示すように光ファイバ１８の入射端面に向けて異なる角度から入射してきた光Ａ，Ｂは入射端部１８ａ手前に設置された拡散板１９を透過する際に、図２（ｃ）に示すように広い角度範囲にほぼ均等に分散されて光ファイバ１８に入射する。なお、図２（ｂ）に示すように光Ａと光Ｂの入射強度は同じである。また、図２（ｃ）および（ｄ）において、光ＡとＢとの入射強度は重なっている。
【００５８】
図１２で説明したように、光ファイバ１８内への入射角度分布が同じであれば、光ファイバ１８からの出射角度分布も等しくなる。この場合、拡散板１９の効果により、光Ａ,Ｂの光ファイバ１８内への入射角度分布はほぼ等しくなるため、光ファイバ１８からの出射角度分布もほぼ等しくなり、分光器２０で受光される光量も同程度なる。
【００５９】
さらに、光ファイバ１８の曲げ状態の変化による出射角度分布の変化も、光ファイバ１８内部への入射角度分布に依存しているため、光Ａ,Ｂのように光ファイバ１８内への入射角度分布が同じであれば、光ファイバ１８の曲げ状態に関わらず光ＡとＢの出射角度分布も等しいままである。
【００６０】
次に、拡散板１９の効果について説明する。図３は拡散板１９を設置していない場合と設置した場合とにおいて光ファイバ１８を曲げた状態における拡散板１９の効果を説明するための図である。図３（ａ）および（ｃ）は拡散板１９を設置していない場合と設置した場合とにおける拡散板１９または光ファイバ１８への入射の向きを示す図であり、図３（ｂ）および（ｄ）は試料への入射角ごとの、光ファイバ１８を曲げた状態における光ファイバ１８の出射端部１８ｂにおける光ＡおよびＢの出射強度を示す図である。図３（ｂ）は図１７に対応する。
【００６１】
図３（ｂ）に示すように、光ファイバ１８の曲げ状態に依存して、分光器２０で受光する光Ａ、Ｂそれぞれの光量は変化する。すなわち、分光器２０で受光する全光量に占める、光Ａ,Ｂの各成分の重み付け割合は変化する。ＡとＢとは異なる分光偏光情報を伝播しているため、ＡとＢの光量が変化して重み付け割合が変化すれば計測値も変化する。
【００６２】
一方、拡散板１９を設置した場合は、図３（ｄ）に示すようにＡ、Ｂの光ファイバ１８内への入射角度分布がほぼ等しくなるため、光ファイバからの出射角度分布も分光器２０での受光量もＡとＢでほぼ同じであり、光ファイバ１８の曲げ状態が変化してもＡ,Ｂの成分の重み付け割合は変化しない。よって、光ファイバ１８の曲げ状態の変化に関わらず計測値は安定する。なお、図３（ｂ）および（ｄ）には光ファイバ１８に入射した光全体を用いた場合の強度分布も二点鎖線で示している。図３（ｄ）に示す強度が図３（ｂ）の強度に比べて低くなっているのは、拡散板１９の透過率によるものである。
【００６３】
（３）効果の検証
次に、この実施の形態における効果の検証について説明する。図４は効果の検証結果を示す図である。図４（ａ）は光ファイバ１８の手前に拡散板１９を設置した図１の構成で、光ファイバ１８の曲げ状態をさまざまに変えながら計測した分光偏光パラメータΨ（λ）を表す図であり、従来における図１０（ａ）に対応する。横軸は波長を示し、縦軸は分光偏光パラメータΨを示す。
【００６４】
図４（ａ）に示すように、全ての計測値を示すグラフがほぼ重なっており、拡散板１９の効果により、光ファイバ１８の曲げ状態に関わらず計測値が安定していることがわかる。
【００６５】
図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した光ファイバ１８の曲げ状態におけるΨ（λ）、Δ（λ）を理論値とフィッティングすることにより算出した膜厚と入射角を示す図であり、従来の図１０（ｂ）に対応する。図４（ｂ）を参照して、膜厚値、入射角ともに安定しており、特に、入射角の最大誤差は０．０１ｄｅｇに改善されていることがわかる。
【００６６】
なお、拡散板１９の設置により光量が損なわれないよう、できるだけ透過率が高い拡散板１９を用いるのが望ましい。また、拡散板１９による拡散角(拡散手段透過後の光の拡がり角)が小さすぎると、光ファイバ１８内部への入射角度分布が、光ファイバ１８の入射端面への入射角度に依存して異なって一定とならないため、計測安定化の効果が薄れる。また、拡散角が大きすぎると、光ファイバ１８の開口数（ＮＡ）を超える拡散成分が失われるため、十分な光量を確保できない。このため、拡散板１９の拡散角度は光ファイバ１８のＮＡと同程度であることが望ましい。
【００６７】
また、拡散板１９と光ファイバ１８の入射端面１８ａとの間が離れている場合も、拡散後の光の一部しか光ファイバ１８に入射しないため、光量を確保できない。このため、拡散板１９は光ファイバ１８になるべく密着して設置することが望ましい。
（４）実施例
以下に、本発明の好適な実施例について図５から図８を参照して説明する。図５はこの実施例における分光偏光計測装置５０の要部を示すブロック図である。図５を参照して、分光偏光計測装置５０は、図１に示したように、試料３０を挟んで配置された投光光学系５１と受光光学系５２とを備えている。
【００６８】
投光光学系５１は、図示のない電源と、電源から給電されて点灯する光源１１と、光源１１の出射方向前面側に配置されたピンホール板１１ａと、ピンホール板１１ａのピンホールの通過光を平行光化するコリメートレンズ１２と、コリメートレンズ１２の前面側にあって通過光を開閉するシャッタ１３ａと、シャッタ１３ａの通過光が入射される偏光子１３と、偏光子１３の透過光が順に透過する第１の移相子Ｒ１及び、第２の移相子Ｒ２と、第２の移相子Ｒ２を透過した光を試料３０上の微小領域に集光させるための集光レンズ１４とを有する。
【００６９】
集光レンズ１４を通過後の光は投光光学系５１から出射されて、測定対象領域、すなわち試料３０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３０が設置されている場合、反射された光は受光光学系５２へと入射される。
【００７０】
受光光学系５２内における入射光路上には、コリメートレンズ１５と検光子１６と、集光レンズ１７と拡散板１９と光ファイバ１８と分光器２０とが順に設置されている。ここで、第２の移相子Ｒ２の速軸の方向と検光子１６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。
【００７１】
分光器２０内には、入射スリット２１と、開口制限手段２２と、コリメートレンズ２３と、入射光を分光する回折格子２４と、回折格子２４にて分光された光を集光する集光レンズ２５と、集光された光が入射されるＣＣＤ２６と、ＣＣＤ２６の受光出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２７とを含んでいる。Ａ／Ｄ変換器２７から得られるデジタル受光出力信号は、分光器２０から取り出され、これがパソコン（ＰＣ）等のコンピュータ４０にて処理される。
【００７２】
コンピュータ４０は、マイクロプロセッサ等で構成される演算処理部４１と、ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＨＤＤ等で構成されるメモリ部４２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４３とを含んでいる。
【００７３】
次に、図５において点線で囲んだ、分光偏光計測装置５０のセンサヘッド５５について説明する。図６はセンサヘッド５５を示す図である。図６を参照して、センサヘッド５５は光を出射する投光光学系５１の要部で構成される投光部５５ａと、試料３０を反射した光を受光する受光部５５ｂと、それら投光部５５ａと受光部５５ｂとを保護するハウジング５６とを含む。ここで受光部５５ｂは受光光学系５２と同じである。
【００７４】
投光部５５ａは光源（図示せず）から発せられた光を通過させる投光ファイバーケーブル５７と、投光ファイバーケーブル５７からの透過光を通過させるケーブルヘッド５８と、ケーブルヘッド５８からの通過光を平行光化するコリメートレンズ１２と、コリメートレンズ１２の前面側にあって入射光を透過させる偏光子１３と、偏光子１３からの出射光が順に透過する第１の移相子Ｒ１及び第２の移相子Ｒ２と、これらの光学系をハウジング５６に据え付ける光学系保持部材及び取り付け部材（図中斜線で示す）を含む。なお、実線は投光部内を通過する光の投光軸である。
【００７５】
受光部５５ｂは、試料３０で反射された光を透過させる検光子１６と、検光子１６からの透過光を集光させる集光レンズ１７と、集光レンズ１７を経た光を通過させるケーブルヘッド５９と、分光器（図示せず）へと接続される光ファイバ１８と、これらの光学系をハウジング５６に据え付ける取り付け部材及び光学系保持部材（図中斜線で示す）とを含む。なお、実線は試料に反射又は透過された光の受光軸である。
【００７６】
次に、分光偏光計測装置５０を用いた計測手順について説明する。図７は分光偏光計測装置５０を用いて試料３０の計測を行う場合の処理手順を示すフローチャートである。
【００７７】
図７を参照して、測定手順として、先ず、ステップ１１（図中Ｓ１１と省略する、以下同じ）においては、分光偏光計測装置５０に光を入射させる。
【００７８】
次に、ステップ１２では、分光器２０にて試料３０を反射又は透過した後、検光子１６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（図５において１３ａで示す）を活用することができる。具体的には、シャッタ１３ａの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。
【００７９】
次に、ステップ１３では、透過光の分光光量を分光器２０よりコンピュータ４０へと転送して、演算処理部４１における処理に供する。ステップ１４では、コンピュータ４０において、演算処理部４１は試料の分光偏光パラメータを出力する。なお、演算処理部４１の行う処理の詳細は特許文献１と同じ手法が適用できるため、ここではその説明は省略する。
【００８０】
ここで、測定結果出力部４３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。
【００８１】
次に、この発明の他の実施例について説明する。上記実施例においては、試料に対して光を入射し、その反射光を用いるエリプソメータについて説明したが、この実施例においては、試料を透過して計測を行う。
【００８２】
図８はこの透過型の分光偏光計測装置６０の全体構成を示す図であり、図５に示した先の実施例における分光器２０より前の部分に対応する図である。図８を参照して、分光偏光計測装置６０は投光光学系６１と受光光学系６２とを含む。図５に示したエリプソメータとの違いは試料３０を光が透過するだけであるので、それ以外の構成要素についてはその説明を省略する。
【００８３】
この実施例において求める試料の分光偏光パラメータとしては、複屈折媒質の方位角やリタデーションがある。この場合も反射型配置の場合と同様に、得られる信号は異なる入射角で試料に入射・透過してきた光成分の総和であるが、拡散板の効果により、光ファイバの曲げ状態の変化に関わらず、安定した計測を実現できる。
【００８４】
なお、上記実施の形態においては、試料からの反射光を受ける受光光学系に設けられる光ファイバへの入射端部への光の集光等の集光用の光学素子として、コリメートレンズを用いて行う例について説明したが、これに限らず、凹面鏡のような、ミラーを用いて集光してもよい。
【００８５】
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】この発明の一実施の形態に係る分光偏光計測装置の要部を示す図である。
【図２】拡散板と光ファイバとの接続部における光の入射方向を示す図である。
【図３】この発明の一実施の形態における、拡散板の効果を説明するための図である。
【図４】この発明の効果を説明するための図である。
【図５】この発明一実施の形態に係る分光偏光計測装置の全体構成を示す図である。
【図６】センサヘッドを示す図である。
【図７】分光偏光計測装置の計測手順を示す図である。
【図８】第２実施例の要部の構成を示す図である。
【図９】従来の分光偏光計測装置の要部を示す図である。
【図１０】従来の分光偏光計測装置の問題点を説明するための図である。
【図１１】従来の試料への入射光と反射光とを示す図である。
【図１２】従来の計測における問題点を説明するための図である。
【図１３】従来の光ファイバからの出射光をＣＣＤへ伝達する場合の光学系を示す図である。
【図１４】従来の光ファイバからの出射光が集光レンズを透過する場合のレンズ透過率を説明するための図である。
【図１５】光ファイバに異なる角度で入射した光Ａ，Ｂの成分と、最終的に分光器２０で受光する信号との関係を示す図である。
【図１６】光ファイバの曲げの影響を説明するための図である。
【図１７】光ファイバの曲げ状態を変えた場合の、分光器で受光する信号の、試料に対する入射角に対する分布を示す図である。
【符号の説明】
【００８７】
１０  分光偏光計測装置、１１  光源、１２  コリメートレンズ、１３  偏光子、１５  コリメートレンズ、１６  検光子、１７  集光レンズ、１８  光ファイバ、１９  拡散板、２０  分光器、５０  分光偏光計測システム、５１  投光光学系、５２  受光光学系、５５  センサヘッド。
【図１】
2009210457.tif 000003
【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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