JP2004184225A - 複屈折測定装置および複屈折試料の軸方位検出方法、複屈折測定装置のキャリブレーション方法。 - Google Patents
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Abstract
【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
Description
【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】
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】
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】
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】
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】
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】
【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】
【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】
【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】
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】
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】
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
Claims (5)
- 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。 - 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。 - 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。
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