(57)【要約】【課題】  光学素子の平面以外の球面もしくは非球面である表面に形成される光学薄膜の位相差を高精度に測定する位相差測定装置、その位相差測定装置を用いる位相差測定方法および光学素子の製造方法を提供する。【解決手段】  光源からの光線が通過される偏光子と、前記偏光子からの前記光線が光学素子の表面に形成される光学薄膜に反射されて入射され、前記光線の位相を変化させる補償子と、前記光線が入射される検光子と、前記検光子からの前記光線を受光する検出器と、を有し、前記光学薄膜の位相差を測定する位相差測定装置において、前記補償子、前記検光子および前記検出器から成る検出ユニットと前記光学薄膜との距離を、前記検出ユニットを駆動することにより変える駆動部、あるいは、検出器の受光範囲を変える絞りを有する。【選択図】図２
2009174881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光線が通過される偏光子と、
前記偏光子からの前記光線が光学素子の表面に形成される光学薄膜に反射されて入射され、前記光線の位相を変化させる補償子と、
前記光線が入射される検光子と、
前記検光子からの前記光線を受光する検出器と、を有し、前記光学薄膜の位相差を測定する位相差測定装置において、
前記補償子、前記検光子および前記検出器から成る検出ユニットと前記光学薄膜との距離を、前記検出ユニットを駆動することにより変える駆動部を有することを特徴とする位相差測定装置。
【請求項２】
前記距離は、前記光学素子の表面形状と前記光線の入射位置と入射角度に基づいた位相差計算による誤差許容値に従って設定されることを特徴とする請求項１の位相差測定装置。
【請求項３】
光源からの光線が通過される偏光子と、
前記偏光子からの前記光線が光学素子の表面に形成される光学薄膜に反射されて入射され、前記光線の位相を変化させる補償子と、
前記光線が入射される検光子と、
前記検光子からの前記光線を受光する検出器と、を有し、前記光学薄膜の位相差を測定する位相差測定装置において、
前記検出器の受光範囲を変える絞りを有することを特徴とする位相差測定装置。
【請求項４】
前記受光範囲は、前記光学素子の表面形状と前記光線の入射角に基づいた位相差計算による誤差許容値に従って設定されることを特徴とする請求項３の位相差測定装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の位相差測定装置を用いて、前記光源からの前記光線が前記光学素子の表面に形成された前記光学薄膜に反射され、前記検出器に入射されることにより前記光学薄膜の位相差を測定する位相差測定方法において、
前記検出器を有する前記検出ユニットと前記光学薄膜との距離を変えることを特徴とする位相差測定方法。
【請求項６】
前記距離は、前記光学素子の表面形状と前記光線の入射位置と入射角度に基づいた位相差計算による誤差許容値に従って設定されることを特徴とする請求項５の位相差測定方法。
【請求項７】
請求項１から４のいずれかに記載の位相差測定装置を用いて、前記光源からの前記光線が前記光学素子の表面に形成された前記光学薄膜に反射され、前記検出器に入射されることにより前記光学薄膜の位相差を測定する位相差測定方法において、
前記検出器の受光範囲を変えることを特徴とする位相差測定方法。
【請求項８】
前記受光範囲は、前記光学素子の表面形状と前記光線の入射角に基づいた位相差計算による誤差許容値に従って設定されることを特徴とする請求項７の位相差測定方法。
【請求項９】
請求項１から４のいずれかに記載の位相差測定装置を用いて、前記光学素子の表面に形成された前記光学薄膜の位相差を測定するステップと、
前記ステップの測定結果に基づいて、前記光学素子の表面に前記光学薄膜を形成し直すステップと、を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子の表面に形成された光学薄膜の位相差を測定する位相差測定装置、その位相差測定装置を用いる位相差測定方法および光学素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図８を参照して、従来例の光学素子の偏光特性を測定するエリプソメータと称される位相差測定装置を説明する。
レーザ、ランプなどから成る光源８からの光線が、集光ミラー９、偏光子１０を介して、被検物である光学素子１１に入射され、反射される。
光学素子１１からの反射方向の光路上にはλ/４板などから成る補償子１４、検光子１５が順次配列され、さらに、フォトダイオード、光電子増倍管などから成る検出器１６が配列される。
光源８から射出された光線は、光学素子１１において光線径が最小になるように集光ミラー９により形成され、光軸周りにＰ度に配置された偏光子１０を透過した光線は、直線偏光として光学素子１１に照射される。
光学素子１１に反射された光線は、光学素子１１の有する位相差により楕円偏光となり、光軸周りに回転する補償子１４を通過し、さらに、光軸周りにＡ度に配置された検光子１５を透過し、検出器１６に受光され検出される。
補償子１４の位相差をδ、回転速度をωとしたときの検出器１６で検出される光強度Ｉ(ｔ)は、式（１）となる。
【０００３】
【数１】
2009174881.tif 000003
ここで、α２、α４、β２、β４は、規格化フーリエ係数を示す。
例えば、特許文献１に示されるように式（２）より光学素子１１の位相差Ψ、Δを算出することができる。
【０００４】
【数２】
2009174881.tif 000004
【特許文献１】アメリカ特許公報第６,０８４,６７５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の位相差測定方法は、被検物である光学素子１１の表面の形状が平面形状を前提にした測定方法である。
光学素子１１の表面の形状が、平面以外の球面、もしくは非球面形状である場合は、その表面からの反射光線は、発散もしくは収束し、補償子１４に対してある角度を持って入射する。
補償子１４は位相差に関して入射角度特性を有するため、この影響を受けて、検出される信号Ｉ(ｔ)から位相差を算出する際に誤差が生じ、高精度の測定ができなかった。
このように、光学素子１１の表面の形状が、平面以外の球面、もしくは非球面形状である場合でも位相差測定の誤差を低減させる最適な測定条件システムを求める必要がある。
そこで、本発明は、光学素子の平面以外の球面もしくは非球面である表面に形成される光学薄膜の位相差を高精度に測定する位相差測定装置、その位相差測定装置を用いる位相差測定方法および光学素子の製造方法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】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明の位相差測定装置は、光源からの光線が通過される偏光子と、前記偏光子からの前記光線が光学素子の表面に形成される光学薄膜に反射されて入射され、前記光線の位相を変化させる補償子と、前記光線が入射される検光子と、前記検光子からの前記光線を受光する検出器と、を有し、前記光学薄膜の位相差を測定する位相差測定装置において、前記補償子、前記検光子および前記検出器から成る検出ユニットと前記光学薄膜との距離を、前記検出ユニットを駆動することにより変える駆動部を有することを特徴とする。
さらに、本発明の位相差測定装置は、光源からの光線が通過される偏光子と、前記偏光子からの前記光線が光学素子の表面に形成される光学薄膜に反射されて入射され、前記光線の位相を変化させる補償子と、前記光線が入射される検光子と、前記検光子からの前記光線を受光する検出器と、を有し、前記光学薄膜の位相差を測定する位相差測定装置において、前記検出器の受光範囲を変える絞りを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、光学素子の平面以外の球面もしくは非球面である表面に形成される光学薄膜の位相差を高精度に測定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１、図２、図７を参照して、本発明の実施例の位相差測定装置および位相差測定装置を用いる位相差測定方法を説明する。
本実施例の位相差測定装置は、エリプソメータと称され、光学素子１１の光学薄膜１１ａの位相差を測定する装置である。
レーザ、ランプなどから成る光源８からの光線は、集光ミラー９ａ，９ｂ，９ｃおよび光軸周りに角度Ｐ度に設置された偏光子１０を介して、被検物である光学素子１１に入射され、反射されて検出ユニット１２に入射される。  
偏光子１０は、光源からの光線が通過される。
光源８から射出された光線は、光学素子１１において光線径が最小になるように集光ミラー９により形成され、光軸周りにＰ度に配置された偏光子１０を透過した光線は、直線偏光として光学素子１１に照射される。
【０００９】
次に、図２を参照して、検出ユニット１２を説明する。
検出ユニット１２は、絞り１３、補償子１４、検光子１５および検出器１６から成る。
光軸上に絞り１３、λ/４板などから成る補償子１４、検光子１５、フォトダイオード、光電子増倍管などから成る検出器１６の順に配置され、絞り１３の代わりに異なる位置に絞り１３ａを設けてもよい。
補償子１４は、偏光子１０からの光線が光学素子１１の表面に形成される光学薄膜１１ａに反射されて入射され、光線の位相を変化させ、検光子１５は、補償子１４からの光線が入射され、検出器１６は、検光子１５からの光線を受光する。
検出ユニット１２には、光軸方向に距離Ｄを変位する駆動部２２が接続され、駆動部２２は、検出ユニット１２と光学薄膜１１ａとの距離Ｄを、検出ユニット１２を駆動することにより変える手段である。
距離Ｄは、光学素子１１の表面形状と光線の入射位置と入射角度に基づいた位相差計算による誤差許容値に従って設定される。
【００１０】
情報入力部１７は、光学素子１１の表面の平面以外の球面、もしくは非球面の表面形状情報を入力する手段である。
演算部１８は、所定の反射位相差の測定精度を満たす範囲内で光学素子１１の表面形状情報と入射位置、入射角度から決定される絞り半幅Ｓｘ、Ｓｙ、検出ユニット１２との距離Ｄを演算する手段である。
駆動部２０は、補償子１４を回転させる手段で、駆動部２０の回転量、駆動部２１の変位量、駆動部２２の変位量は制御部１９によって制御される。
駆動部２１は、図７に示されるように絞り１３のＸ方向の絞り半幅をＳｘ、Ｙ方向の絞り半幅をＳｙとする時、絞り１３の絞り幅を変位させ、検出器１６の受光範囲を変える手段である。
この受光範囲は、光学素子１１の表面形状と光線の入射角に基づいた位相差計算による誤差許容値に従って設定される。
【００１１】
図３に示されるように光学素子１１の中心を基準とし法線方向をＺ軸、光軸と同一平面上の接線方向をＸ軸、Ｘ軸と直交する方向をＹ軸とする。
光学素子１１の表面の形状は式（３）により表される。
【００１２】
【数３】
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ここでＲは曲率半径、Ｋはコーニック係数、Ａｎはｎ次の非球面係数である。
【００１３】
図３では、光学素子１１の入射光線は、平行光線になっている。
図４は、図３のＸＺ断面における入射光線と反射光線を示す図である。
図４において入射光線の中心の光線ａが被検物である光学素子１１の点Ｕ０（Ｘ０、０、Ｚ０）に対して入射角度αで入射し、同じく入射光線の周辺の光線ｂが光学素子１１の点Ｕｘ（Ｘ０＋ｄｘ、０、Ｚ）に入射角度βで入射する。
点Ｕ０、点Ｕｘでの法線ベクトルが式（４）のようになる。
【００１４】
【数４】
2009174881.tif 000006
このため、点Ｕでの入射角度βは式（５）となる。
【００１５】
【数５】
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点Ｕ０、Ｕでの入射角度はΔΦx＝２（β-α）の角度差を有し、補償子１４へと入射される。
補償子１４に対して垂直に通過する光線ａについて補償子１４の位相差がδであるとする。
この場合、光線ｂのように光線ａに対して角度差ΔΦxで補償子１４に入射する光線は、補償子１４の内部を通過する際の光路長が光線ａと異なるため補償子１４の位相差はδと異なる値になる。
【００１６】
次に、Ｙ軸方向に関してもＸ軸と同様に補償子１４に対する斜入射により測定誤差を生じる。
図５は、図３のＹＺ断面における図であり、入射光線の中心の光線ａが光学素子１１の点Ｕ０（Ｘ０、０、Ｚｏ）で反射する光線と、入射光線のＹ軸方向の光線Ｃが点Ｕｙ(Ｘ０、ｄｙ、Ｚ)で反射する線と角度差ΔΦyは式（６）により表される。
【００１７】
【数６】
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検出の際は、検出器１６の受光面に照射される光線の総和として信号が検知される。
例えば、光線内の照度が均一で、補償子１４にＭｇＦ２のλ／４板を用い、ＡｒＦ波長にて測定を行った際の補償子１４への入射角度ΔΦx、ΔΦｙに対する位相差Δの誤差量を図６に示す。
補償子１４への入射角度ΔΦx、ΔΦｙが大きくなると、位相差Δの測定誤差量は増大し、入射角度が５度となるとき測定誤差量は０.２２度となる。
以上のことから、被検物である光学素子１１の表面の形状が平面以外の球面、もしくは非球面形状で、その光学素子１１の反射位相差を測定する場合は、以下の必要がある。
すなわち、測定点Ｕ０、Ｕｘ、Ｕｙを反射した光線ａ、b、cの補償子１４の通過角度を所定の反射位相差測定精度を満たす範囲内で差が、無いようにすることが必要である。
なお、ここでは、反射位相差の測定について説明してきたが、透過位相差の測定についてもこれと同じ必要がある。
【００１８】
前記より、ＸＺ断面、ＹＺ断面内で光学素子１１の表面の形状に起因する補償子１４への入射角度差から測定誤差が生じている。
受光範囲を変えることにより、この角度差の範囲を抑えて、測定誤差が低減される。
図７に示されるように測定誤差が許容量により許容される角度差がＸＺ断面、ＹＺ断面でそれぞれΔΦｘ、ΔΦｙ以下としなければならないとき、測定点Ｕ０（Ｘ０、０、Ｚ０）、入射角度αでの光線の半幅を（ｄｘ、ｄｙ）とする。
この場合、この光線の半幅（ｄｘ、ｄｙ）は式（７）により決定される。
【００１９】
【数７】
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光学素子１１から絞り１３までの距離をＤとすると受光許容範囲の絞り半幅（Ｓｘ、Ｓｙ）は式（８）となる。
【００２０】
【数８】
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【００２１】
さらに、再現性の観点から受光面全面で光線を受光することが望ましい。
検出器１６ のＸ方向の受光面の半幅Ｔｘ、Ｙ方向の受光面の半幅Ｔｙは有限である。
検出器１６から絞り１３までの距離がＬの場合、式（９）を満たすような光学素子１１と検出ユニット１２との距離Ｄ、絞り１３の半幅（Ｓｘ、Ｓｙ）が最適な測定条件となり、再現性を劣化させることなく、高精度に測定できる。
【００２２】
【数９】
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情報入力部１７で入力された光学素子１１の表面の形状情報と指定した誤差許容量から演算部１８にて、制御部１９と駆動部２１を介して絞り１３の開口幅、制御部１９と駆動部２２を介して検出ユニット１２の距離Ｄを最終的に設定する。
補償子１４を回転させて検出器１６にて検出した信号により、高精度に位相差Δを求めることができる。
【００２３】
次に、本実施例の位相差測定装置を用いる本実施例の光学素子の製造方法を説明する。
まず、光学素子１１の表面に形成された光学薄膜１１ａの位相差を測定する。
次に、この測定結果に基づいて、光学素子１１の表面に光学薄膜１１ａを形成し直し、光学素子１１を製造する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例の概略構成図である。
【図２】本発明の実施例の構成図である。
【図３】光学素子の表面と入射光線との関係図である。
【図４】光学素子の表面と入射光線との関係図（ＸＺ平面）である。
【図５】光学素子の表面と入射光線との関係図（ＹＺ平面）である。
【図６】補償子への入射角度差Δφx、ΔΦyと位相差Δの測定誤差との関係図である。
【図７】絞りの絞り幅と検出器の受光面との関係図である。
【図８】従来例の構成概略図である。
【符号の説明】
【００２５】
８  光源                  ９，９ａ，９ｂ，９ｃ  集光ミラー
１０ 偏光子              １１ 光学素子
１２ 検出ユニット        １３，１３ａ 絞り
１４ 補償子              １５ 検光子
１６ 検出器              １７ 情報入力部
１８ 演算部              １９ 制御部
２０ 補償子１４の駆動部  ２１ 絞り１３の駆動部
２２ 検出ユニット１２の駆動部
【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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