(57)【要約】【課題】試料の複数部位の位相差を高精度で測定可能な位相差測定装置および位相差測定方法の提供。【解決手段】光源、偏光子、光学補償子１、測定ステージ、検光子、及び受光素子アレイがこの順に配置され、光学補償子１の遅相軸を回転させる手段を有し、かつ該測定ステージ及び該受光素子アレイの間に、光軸を回転させる手段を有する素子を有しない位相差測定装置、ならびに、例えば該装置を用いて、該偏光子の透過軸に対して光学補償子１の遅相軸がなす角度θｃにおける透過光Ｔθcを、受光素子アレイの２つ以上のエリアで検出し、前記の２つ以上のエリアで測定されたそれぞれのＴθcとθｃとの関係式から測定試料における２点以上の位相差をそれぞれ算出することを含む方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源、偏光子、光学補償子１、測定ステージ、検光子、及び受光素子アレイがこの順に配置され、光学補償子１の遅相軸を回転させる手段を有し、かつ該測定ステージ及び該受光素子アレイの間に、光軸を回転させる手段を有する素子を有しない位相差測定装置。
【請求項２】
前記受光素子アレイにて得られた画像の輝度情報を測定試料の複数部位における光の透過量として読み取るためのデータ処理部を有する請求項１に記載の位相差測定装置。
【請求項３】
前記測定ステージと前記検光子との間に光学補償子２が配置されている請求項１又は２に記載の位相差測定装置。
【請求項４】
前記偏光子の透過軸方向に対して前記検光子の透過軸方向がなす角度が0°であり、かつ前記偏光子の透過軸方向に対して光学補償子２の遅相軸方向がなす角度が45°である請求項３に記載の位相差測定装置。
【請求項５】
前記光源がハロゲンランプ及び干渉フィルタを含み、かつ前記受光素子アレイがCCDカメラである請求項１〜４のいずれか一項に記載の位相差測定装置。
【請求項６】
測定試料における２部位以上の位相差を決定する方法であって、
光源、偏光子、光学補償子１、測定試料、検光子、及び受光素子アレイがこの順に配置された光学系を用意すること；
該偏光子及び該測定試料と該受光素子アレイとの間の素子を固定して光学補償子１の遅相軸を回転させ、該偏光子の透過軸に対して光学補償子１の遅相軸がなす角度θｃにおいて、光源から単波長光を、偏光子、光学補償子１、測定試料、及び検光子を通過するように照射して得られる透過光Ｔθcを、受光素子アレイの２つ以上のエリアで検出すること；及び
前記の２つ以上のエリアで測定されたそれぞれのＴθcとθｃとの関係式から測定試料における２点以上の位相差をそれぞれ算出すること
を含む方法。
【請求項７】
前記光学系が、前記測定試料と前記検光子との間に、光学補償子２を有する請求項６に記載の方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は位相差測定装置及び位相差測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
位相差の測定方法としては複数の方法が知られているが、複数部位の位相差を同時に測定可能な方法は、あまり知られていない。
一般的に位相差測定は、光源、偏光子、補償子、試料、任意で補償子、検光子、及び受光素子を、この順に配置して行われることが多い。例えば、非特許文献１に記載の方法においては、（１）上記各素子の角度を変化させた計16配置の測定、（２）検光子側の補償子のみを回転させた複数配置の測定、又は（３）２つの補償子のみを回転させた複数配置の測定から位相差を求めている。
このような方法を二次元的な位相差測定に応用し、受光素子として、複数部位に対する別個の受光が可能である受光素子としてCCDカメラを用いた例が、特許文献１に開示されている。本文献においては、試料と受光素子との間の光学素子を回転させる測定を行っている。しかし、この測定では、CCDの画素の大きさ以上の受光点のズレがこの回転に伴って円状に生じ、精度の高い位相差の測定はできないと考えられる。
【０００３】
上記の配置において、試料と受光素子との間の光学素子を回転させずに光源と試料との間の光学素子を回転させて位相差の測定を行うことは従来ほとんど行われておらず、そのような形態の装置に関する報告は特許文献２に記載の方法などに限られている。特許文献２においては、複数の波長を同時検出するフォトアレイを含む材料システムの回転補正器型分光検査システムが開示されている。上記の光学素子の配置で、光源と試料との間の光学素子を回転させているが検出器で同時に検出する情報は分光情報であり、複数部位の位相差の情報ではない。
【０００４】
CCDを用いた位相差測定方法として、特許文献３においては干渉像を測定することによる測定法を開示している。この方法では、直線偏光を２つの直線偏光に分離して被測定物に透過させる際、これら２つの偏光成分をノマルスキープリズムにより、被測定物の干渉像を観察するＣＣＤカメラのエアリーディスク以上のシアリング量に分離する。この後、被測定物を透過した２つの直線偏光を重ね合わせて干渉させた被測定物の干渉像を観察し、かつ２つの直線偏光間の位相を変化させたときの被測定物の干渉像に基づいて位相差を測定している。しかし、この方法は、上記の原理からもわかるように位相差の二次元測定のための方法ではない。
【特許文献１】特開2001-228034号公報
【特許文献２】特表2000-509830号公報
【特許文献３】特開平7-248261号公報
【非特許文献１】P.S.Hauge,"Mueller matrix ellipsometry with imperfect compensators,"J.Opt.Soc.Am.,68(11),1519-1528,(1978).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は試料の複数部位の位相差を実質的に同時に高精度で測定可能な位相差測定装置の提供を課題とする。本発明はまた、試料の複数部位の位相差を実質的に同時に高精度で測定できる位相差測定方法の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは上記課題の解決のために鋭意研究を行った結果、受光素子として受光素子アレイを用い、かつ試料と受光素子の間に設ける光学素子を回転させない、すなわち、試料と受光素子の間に設ける光学素子の光軸を固定することによって、精度の高い二次元位相差測定が可能であることを見出し、この知見を基に本発明を完成した。すなわち、本発明は下記［１］〜［７］を提供するものである。
【０００７】
［１］光源、偏光子、光学補償子１、測定ステージ、検光子、及び受光素子アレイがこの順に配置され、光学補償子１の遅相軸を回転させる手段を有し、かつ該測定ステージ及び該受光素子アレイの間に、光軸を回転させる手段を有する素子を有しない位相差測定装置。
［２］前記受光素子アレイにて得られた画像の輝度情報を測定試料の複数部位における光の透過量として読み取るためのデータ処理部を有する［１］に記載の位相差測定装置。
［３］前記測定ステージと前記検光子との間に光学補償子２が配置されている［１］又は［２］に記載の位相差測定装置。
［４］前記偏光子の透過軸方向に対して前記検光子の透過軸方向がなす角度が0°であり、かつ前記偏光子の透過軸方向に対して光学補償子２の遅相軸方向がなす角度が45°である［３］に記載の位相差測定装置。
【０００８】
［５］前記光源がハロゲンランプ及び干渉フィルタを含み、かつ前記受光素子アレイがCCDカメラである［１］〜［４］のいずれか一項に記載の位相差測定装置。
［６］測定試料における２部位以上の位相差を決定する方法であって、
光源、偏光子、光学補償子１、測定試料、検光子、及び受光素子アレイがこの順に配置された光学系を用意すること；
該偏光子及び該測定試料と該受光素子アレイとの間の素子を固定して光学補償子１の遅相軸を回転させ、該偏光子の透過軸に対して光学補償子１の遅相軸がなす角度θｃにおいて、光源から単波長光を、偏光子、光学補償子１、測定試料、及び検光子を通過するように照射して得られる透過光Ｔθcを、受光素子アレイの２つ以上のエリアで検出すること；及び
前記の２つ以上のエリアで測定されたそれぞれのＴθcとθｃとの関係式から測定試料における２点以上の位相差をそれぞれ算出すること
を含む方法。
［７］前記光学系が、前記測定試料と前記検光子との間に、光学補償子２を有する［６］に記載の方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の位相差測定装置、又は本発明の測定方法により試料の複数部位の位相差を同時に高精度に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を詳細に説明する。
なお、本明細書において「〜」とはその前後に記載される数値を下限値および上限値として含む意味で使用される。
本明細書において、角度について記載のある場合は、厳密な角度との誤差が±１度の範囲内であればよく、±０．１度の範囲内であることがより好ましい。
０度とは実質的に二つの軸の為す角度が平行である状態を表し、９０度とは実質的に二つの軸の為す角度が直交している状態を表す。
【００１１】
本明細書において、位相差、レターデーション又はＲｅは面内のレターデーションを表す。本明細書において、位相差を決定する、測定する、または算出するというとき、遅相軸方向及び／又はレターデーション値を決定する、測定する、または算出することをそれぞれ意味する。
【００１２】
本発明の位相差測定方法は、光源、偏光子、光学補償子１、測定ステージ、検光子、及び受光素子アレイをこの順に含む装置で行われる。そして、測定ステージと受光素子アレイの間に配置される素子は回転させずに、その光軸を固定して行うことを特徴とする。本明細書において素子とは光学補償子、偏光子、測定試料、検光子、受光素子などを含む素子を意味する。測定ステージと検光子との間にはさらにもう一つの光学補償子、光学補償子２が配置されていることが好ましい。光学補償子２も回転させずに、その遅相軸を固定して用いられる。固定の光学補償子を測定ステージと受光素子アレイとの間に配置させると、測定ができなくなる測定試料の遅相軸の角度が無くなるという利点があり、好ましい。
上記のように、偏光子、光学補償子１、任意で光学補償子２、検光子、及び受光素子アレイは光源からの光の進行方向においてこの順に配置されていればよい。偏光子、光学補償子及び検光子における各平面と受光素子アレイの受光面が平行になるように配置されればよい。
【００１３】
測定ステージと受光素子アレイの間に配置される素子の光軸を固定した測定を行うことにより、受光素子アレイでの受光点のズレが生じない又は生じにくくなり、受光素子アレイにおける個々の受光画素（受光エリア）において、測定試料の一定の点の位相差の測定が可能となる。なお、受光素子アレイ及び測定試料も光の進行方向の垂直方向に平面を配置して固定されて（回転させないで）いることが好ましい。
本明細書において、それぞれ位相差が測定される測定試料の「部位」の大きさは、求められる測定の精度によって決定されればよい。もっとも小さい部位として測定される場合の部位の大きさは、用いられる受光素子アレイの画素の大きさによって決定されると考えればよく、通常円換算で直径５μｍ〜１５μｍ程度、好ましくは７μｍ程度の大きさとなる。
本発明の測定方法は、測定試料におけるこのような部位を2つ以上の位相差を同時に測定することができることを特徴とし、好ましくは、互いに直線上にない3つ以上の部位の位相差を同時に二次元的に測定することができることを特徴とする。
【００１４】
本発明の位相差測定方法に用いられる光源は単波長光を照射できる光源であれば特に限定されず、各種レーザー又は白色光源及びバンドパスフィルタの組み合わせを用いればよい。用いられる波長は特に限定されないが、435nm(青色)、545nm(緑色)、610nm(赤色)などが好ましい。
本発明の位相差測定方法に用いられる光学補償子は特に限定されず、従来の位相差測定装置で用いられている光学補償子及び市販の光学補償フィルムから選択される光学補償子のいずれを用いてもよい。通常、λ／４板として市販されている光学補償フィルムを用いればよい。
光源と試料ステージとの間に配置される光学補償子は回転可能に配置される。回転は、従来の位相差測定装置等の光学特性測定装置に用いられている回転手段により行えばよく、具体的な例としては駿河精機(株)製自動回転ステージなどが挙げられる。
【００１５】
本発明の位相差測定方法に用いられる偏光子又は検光子としては、非偏光を偏光させることができる素子であればいずれを用いてもよく、例えば、市販のいずれかの偏光子、又は液晶表示装置の偏光板などの作製に一般的に用いられている材料や手順により作製される素子を用いることができる。具体的な例としてはヨウ素ドープPVA偏光板、（例えばサンリッツ社製のフィルム状の偏光子）、又はグラントムソンプリズム (例：シグマ光機(株)製GTPC)などが挙げられる。素子の小型化という観点からはフィルム状のヨウ素ドープPVA偏光板が好ましく、また、測定精度向上という観点からは耐湿熱性に優れているグラントムソンプリズムが好ましい。
２つの偏光子（偏光子と検光子）の透過軸の向きは特に限定されないが、パラニコル配置又はクロスニコル配置となっていることが好ましい。また、偏光子の透過軸と光学補償子２の遅相軸とが為す角は約４５°となるように配置することが好ましい。
【００１６】
本発明の位相差測定方法に用いられる受光素子アレイとしては、測定試料を垂直方向に通過した光を測定試料における部位ごとに別個に受光する機能を有する受光素子が用いられる。受光素子アレイとしては、複数の受光素子を有するものを特に限定なく用いることができるが、二次元的に受光可能である受光素子アレイが好ましい。例えば一般的なCCD（Charge Coupled Device、電荷結合素子）や、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）を用いることができる。CCDの具体的な例としては、Sony(株)製のXCL-X700が挙げられる。
受光素子アレイとしてCCDやCMOSを用いる場合、数画素を１画素（１エリア）としてカウントしたり、数フレーム撮影して平均化したりすることがS/N比向上のため、好ましい。
【００１７】
受光素子アレイにて得られた画像から輝度情報を読み取り、受光素子アレイにおける各エリアについて光の受光量を求めることにより、光の透過率等を算出し、位相差の算出にもちいればよい。画像からの輝度情報の読み取りは、MATLAB（MathWorks社開発の数値解析ソフトウェア）を用いて行うことができるが、この手段に限定されるものではない。
【００１８】
本発明の測定方法は、上記の各素子のほか、素子を制御する測定制御部；受光素子アレイにて得られた画像の輝度情報を測定試料の複数部位における光の透過量として読み取るためのデータ処理部；該輝度情報から各部位における光の透過率をそれぞれ算出し、各部位ごとの位相差計算を行うためのデータ処理部；画像や結果を表示する表示部；およびメモリなどを備えるシステムを用いて効率よく行うことが可能である。
【００１９】
例えば、光源（単波長）、偏光子、回転手段を有する補償子（光学補償子１）、試料ステージ(例えばユニオプト(株)製)、検光子、CCDカメラをこの順に配置した装置を用いて、特定のエリアの位相差値の決定は以下のように行うことができる。
測定試料を試料ステージにのせたのち、測定試料及び、他の素子は固定したまま、光学補償子１を5°ずつ回転させ、各角度において画像を撮影する。各画像において測定するエリア(座標)を決め、そのエリアの透過率を算出する。各角度で測定された値(透過率)T0°、T5°、T10°、T15°、…と、下記式(1)とを引きあわせ二乗した総計(式(2))が最小となるα0、α4、β2、β4を求め (excelのソルバーなどを用いて計算すればよい)、そのうちのα0、α4を式(3)に代入し、透過率補正の係数Tを求める。この補正係数Tを測定値T0°、T5°、T10°、T15°…にかけた値に対して、上記と同様にα0、α4、β2、β4を求める。そのα0、α4、β2、β4を式(4)に代入し、式(4)が最小となるδs,θsを求め(excelのソルバーを用いて計算すればよい)、試料の位相差及び遅相軸角度を得る。式(4)中のα0 (δs,θs)、α4 (δs,θs)、β2 (δs,θs)、β4 (δs,θs)は、式(5)〜(8)で求められる値である。最小二乗法の実施方法としては上記に限らず、ガウスニュートン法や最急降下法等でもよい。
【００２０】
【数１】
2009236678.tif 000002
【００２１】
CCDカメラなどの受光素子アレイの任意の複数のエリアにつき、上記のような測定及び算出を行うことにより、測定試料における２部位以上の位相差を実質的に同時に決定することができる。
【実施例】
【００２２】
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例は本発明の趣旨から逸脱しない限り適宜変更することができる。従って、本発明の範囲は以下の具体例に制限されるものではない。
【００２３】
光源と試料との間の光学補償子を回転させた時と、試料と検光子との間の光学補償子を回転させた時の画のズレを比較した。
評価は以下でのように行った。
（１）白色光源、回転機能付き補償子(補償子：(株)ルケオ製λ/4板、回転機能：駿河精機(株)製自動回転ステージ)、CCDカメラXCL-X700(Sony(株)製)をこの順に配置した。
（２）回転機能付き補償子の前または後ろに測定試料(シグマ光機(株)製テストターゲット)を配置した状態で補償子を回転させ、各角度での像をCCDカメラで撮影した。
（３）それらの画像中の任意の１点に注目し、その点が補償子回転によってずれる量(pixel数)を目視で検出した。
光源と試料との間の光学補償子を回転させた時の結果を表１及び図１に、試料と検光子との間の光学補償子を回転させた時の結果を表２及び図２に示す。
【００２４】
【表１】
2009236678.tif 000003
【００２５】
【表２】
2009236678.tif 000004
【００２６】
表１及び２、並びに図1及び２の結果から分かるように、試料後ろに回転する素子が存在すると測定画像がCCD上で動いてしまい、正確な位相差測定に支障をきたす。
【００２７】
（例２）
以下一例として、市販品λ/4板((株)ルケオ製)の二次元位相差を測定した例を示す。
装置としては、ハロゲンランプ、干渉フィルタ(透過波長=550nm)、偏光子((株)サンリッツ製)、回転機能付き補償子(補償子：(株)ルケオ製λ/4板、回転機能：駿河精機(株)製自動回転ステージ)、試料ステージ(ユニオプト(株))、検光子((株)サンリッツ製)、CCDカメラXCL-X700(Sony(株)製)をこの順に配置した装置を用いた。
【００２８】
試料挿入前、θc=0°状態での測定値をIoとした。試料挿入後の測定値をI0°、I5°、I10°、I15°…とし、透過率はT0°= I0°/Io、T5°= I5°/Io、T10°= I10°/Io、T15°= I15°/Ioと計算した。測定値I0°、I5°、I10°、I15°…は、撮影した画像からMATLABを用いて導出した輝度情報でから求めた。測定エリアは、光照射位置の中心付近の51pixel×51pixelとした。実測された透過率を表３、及び図３に示す。
【００２９】
【表３】
2009236678.tif 000005
【００３０】
表３に示した補正後の透過率を式(2)に代入し、これを最小とするα0、α4、β2、β4をexcelで導出すると
α0= 0.507544221915789
α4= 0.00727178672114849
β2= 0.497159465802939
β4= 0.000271068118724824
となった。これらの値を式(4)に代入し、これを最小とするδs,θsをexcelで導出すると
δs=136.23nm
θs=0.86°
となった。
【００３１】
上記と同様の手順にて、上記測定エリアの左側に隣接する51pixel×51pixelエリアのα0、α4、β2、β4を測定すると
α0= 0.507563144238063
α4= 0.0072900245310024
β2= 0.497305340065259
β4= -0.000265508397025878
となった。これらの値を式(4)に代入し、これを最小とするδs,θsをexcelで導出すると
δs=136.42nm
θs=0.86
となった。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】光源と試料との間の光学補償子を回転させたとき、画像中の点が該回転によってずれる量(pixel数)を検出した結果を示す図である。
【図２】試料と検光子との間の光学補償子を回転させたとき、画像中の点が該回転によってずれる量(pixel数)を検出した結果を示す図である。
【図３】本発明の位相差測定装置でλ/4板を実測したときの光学補償子の遅相軸角度と透過率を示す図である。
【図１】
2009236678.tif 000006
【図２】
2009236678.tif 000007
【図３】
2009236678.tif 000008