JP6876188B1 - フレネルロム及び該フレネルロムを備えた計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位相差がλ／４（９０°）であり、真空紫外から近赤外の波長領域で使用可能であり、入射光線と出射光線が同軸にあり、素子のサイズを小型とすることが可能なフレネルロムを提供する。【解決手段】等方性材料で形成された平行四辺形状の第一菱面体１０及び第二菱面体２０を備えるフレネルロムＱＷＰであって、第一全反射面１３、第二全反射面１４、第三全反射面２３及び第四全反射面２４の少なくとも２つ以上の面には、多層膜Ｍが形成されており、多層膜Ｍは、等方性材料よりも屈折率の大きい高屈折率材料で形成性された高屈折率膜ＭＨと、等方性材料よりも屈折率の小さい低屈折率材料で形成性された低屈折率膜ＭＬと、が交互に積層されており、入射光線Ｉと出射光線Ｅの光軸が同軸であり、真空紫外から近赤外の波長領域において入射光線Ｉに対して略９０°の位相差を与える。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、フレネルロム及び該フレネルロムを備えた計測装置に係り、特に入射光線に対して９０度の位相差を与えるλ／４フレネルロム及び該フレネルロムを備えた計測装置に関する。

波長板は、直交する２つの偏光成分に所定の位相差（光路差）を与えて、入射偏光の状態を変える光学素子である。一般的に、波長板としては、１／２波長板（λ／２板）と１／４波長板（λ／４板）の２種類がよく利用されている。

１／４波長板（Ｑｕａｒｔｅｒ−ｗａｖｅ ｐｌａｔｅ：ＱＷＰ）は、入射光線に対して１／４の位相差を与える波長板であり、具体的には、入射光線の電界振動方向（偏光面）にλ／４（９０°）の位相差を与える光学素子である。１／４波長板は、入射光線に対して位相差をλ／４（９０°）与え、直線偏光を円偏光に変えたり、円偏光を直線偏光に変えたりするために用いられる。

１／２波長板（Ｈａｌｆ−ｗａｖｅ ｐｌａｔｅ：ＨＷＰ）は、入射光線に対して１／２の位相差を与える波長板であり、具体的には、入射光線の電界振動方向（偏光面）にλ／２（１８０°）の位相差を与える光学素子である。１／２波長板は、入射光線に対して位相差をλ／２（１８０°）与え、直線偏光を回転させて出射させるために用いられる。

特許文献１には、２つの平行四辺形状の菱面体を組み合わせた位相差が１１６〜１３６°のフレネル菱面体（フレネルロム）に関して、菱面体を溶融石英製とし、４つの全反射面の上に、菱面体を構成する溶融石英よりも屈折率の低いＭｇＦ_２を３０〜４５ｎｍの範囲の厚みでコーティングすることで、１９０〜１７００ｎｍの波長範囲にわたって使用されることが記載されている。

特許文献２には、ピンホールアレイ板と試料の間にコリメータレンズおよびフレネルロムを備えた共焦点顕微鏡に関し、プリズム面内で２回の全反射によって両偏光成分の間にπ／２の位相差を生じさせるように形成されたフレネルロムや、キング型のフレネルロムを用いること、フレネルロムに多層膜をコーティングすることで、可視光域（４００〜８００ｎｍ）で波長依存性の極めて少ない位相子として働くことが可能となることが記載されている。

特許第５４３８７８９号公報 特開平６−２３５８６５号公報

近年、半導体などの高精度、高密度化に伴い、微小領域の偏光解析や高分解能な面内情報の分析が重要性を増しており、（１）位相差がλ／４（９０°）であり、（２）使用可能な波長帯域が真空紫外から近赤外の波長領域（λ＝１９０〜２０００ｎｍ）と広帯域であり、（３）入射光線と出射光線が同軸にあり、（４）素子のサイズが小型である汎用性の高い光学素子が必要とされているが、上記（１）〜（４）の特性を全て備える光学素子は存在していなかった。

特許文献１のフレネルロムでは、４つの全反射面にＭｇＦ_２単層膜をコーティングすることで１９０ｎｍ〜１７００ｎｍの波長領域と広帯域化が可能となっているが、これは、位相差を１２６°（１１６〜１３６°）としているためである。このことは、特許文献１がエリプソメーターやポラリメーターといった測定装置を前提としており、フレネルロムで生じる位相差が、汎用性が高く、原理的には使いやすい位相差λ／４（９０°）ではなくても、装置側の調整で使用できるためである。

特許文献２のフレネルロムでは、１つの平行四辺形状の菱面体を用いる場合、その構造上、入射光線と出射光線の光軸にズレが発生するため、光学系を組む際に、入射光線と出射光線の光軸のズレに合わせて、後の部品もずらして配置しなければならない。また、フレネルロムを回転させながら使用すると、出射光線の位置も回転してしまい、使用し難いという課題がある。さらに、キング型のフレネルロムでは、その構造上、特定の一か所以外は、入射光線と出射光線の光軸にズレが発生し光線の上下が逆転してしまうため、光線の上下を修正する部品を追加する必要があるなど使用し難いという課題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、位相差がλ／４（９０°）であり、真空紫外から近赤外の波長領域で使用可能であり、入射光線と出射光線が同軸にあり、素子のサイズを小型とすることが可能なフレネルロム及び該フレネルロムを備えた計測装置を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、菱面体を形成する等方性材料よりも屈折率の大きい高屈折率膜と、菱面体を形成する等方性材料よりも屈折率の小さい低屈折率膜と、が交互に積層した多層膜を、フレネルロムの全反射面に形成することを見出し、本発明を完成するに至った。

前記課題は、本発明のフレネルロムによれば、等方性材料で形成された平行四辺形状の第一菱面体及び第二菱面体を備えるフレネルロムであって、前記第一菱面体は、第一入射端面と、前記第一入射端面と平行に配置された第一出射端面と、前記第一入射端面及び前記第一出射端面と交わる第一全反射面と、前記第一全反射面と平行に配置された第二全反射面と、を有し、前記第二菱面体は、第二入射端面と、前記第二入射端面と平行に配置された第二出射端面と、前記第二入射端面及び前記第二出射端面と交わる第三全反射面と、前記第三全反射面と平行に配置された第四全反射面と、を有し、前記第一入射端面に入射した入射光線は、前記第一全反射面、前記第二全反射面、前記第三全反射面及び前記第四全反射面で全反射して、前記第二出射端面から出射光線として出射し、前記第一全反射面、前記第二全反射面、前記第三全反射面及び前記第四全反射面の少なくとも２つ以上の面には、多層膜が形成されており、前記多層膜は、前記等方性材料よりも屈折率の大きい高屈折率材料で形成された高屈折率膜と、前記等方性材料よりも屈折率の小さい低屈折率材料で形成された低屈折率膜と、が交互に積層されており、前記入射光線と前記出射光線の光軸が同軸であり、１９０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長領域において前記入射光線に対して９０°±１０°の位相差を与えること、により解決される。

このように、等方性材料で形成された平行四辺形状の第一菱面体及び第二菱面体を備えるフレネルロムにおいて、フレネルロムの４つの全反射面の少なくとも２つ以上の面に、菱面体を形成する等方性材料よりも屈折率の大きい高屈折率膜と、菱面体を形成する等方性材料よりも屈折率の小さい低屈折率膜と、が交互に積層した多層膜を形成することで、位相差がλ／４（９０°）であり、真空紫外から近赤外の波長領域で使用可能であり、入射光線と出射光線が同軸にあり、素子のサイズを小型とすることが可能なフレネルロムを提供することが可能となる。

このとき、前記第一全反射面、前記第二全反射面、前記第三全反射面及び前記第四全反射面の全てに前記多層膜が形成されているとよい。
このとき、前記低屈折率材料がＭｇＦ_２であり、前記高屈折率材料がＧｄＦ_３、ＬａＦ_３及びＮｄＦ_３からなる群から選択される少なくとも一種であるとよい。
このとき、前記等方性材料が石英又はＣａＦ_２であるとよい。

このとき、前記等方性材料が石英であり、前記第一菱面体及び前記第二菱面体の楔角が４５．１°であるとよい。
このとき、前記多層膜が２層膜であるとよい。

このとき、前記等方性材料がＣａＦ_２であり、前記第一菱面体及び前記第二菱面体の楔角が４５．８５°であるとよい。
このとき、前記多層膜が２層膜であるとよい。

また、前記課題は、本発明の計測装置によれば、上記のフレネルロムを備えること、により解決される。

本発明によれば、等方性材料で形成された２つの平行四辺形状の菱面体を備えるフレネルロムにおいて、菱面体を形成する等方性材料よりも屈折率の大きい高屈折率膜と、菱面体を形成する等方性材料よりも屈折率の小さい低屈折率膜と、が交互に積層した多層膜を、４つの全反射面の少なくとも２つ以上の面に形成することで、位相差がλ／４（９０°）であり、真空紫外から近赤外の波長領域で使用可能であり、入射光線と出射光線が同軸にあり、素子のサイズを小型とすることが可能となる。

また、本発明のフレネルロムは、上記の特性を備えているため、各種の測定装置、分析装置、検査装置、観察装置を含む計測装置に適用することで、微細領域の検査、微小領域を観察、様々な偏光計測を行うことが可能となる。

本発明の一実施形態に係るフレネルロムの概略構成図である。 フレネルロムの各全反射面に施された多層膜の構成を示す模式的断面図である。 石英製フレネルロムの各全反射面への入射角と位相差の関係を波長毎に示したグラフであり、各全反射面に多層膜が無い状態での計算値である。 フレネルロムにおける入射角と楔角の説明図である。 楔角α＝約７５°のフレネルロムと、楔角α＝約４５°のフレネルロムの素子サイズの比較を示す図である。 楔角α＝約７５°のフレネルロムと、楔角α＝約４５°のフレネルロムによる位相差の比較を示したグラフである。 石英よりも小さい屈折率をもつＭｇＦ_２材料による膜を全反射面に施した場合の位相差の変化の様子を示すグラフである（楔角α＝約４５°のフレネルロム）。 石英よりも大きい屈折率をもつＧｄＦ_３材料による膜を全反射面に施した場合の位相差の変化の様子を示すグラフである（楔角α＝約４５°のフレネルロム）。 全反射面に施した膜の構成と位相差について示すグラフである。 実施例１で検討を行った石英製のλ／４フレネルロムの概要図である。 実施例１−１の石英製λ／４フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。 実施例１−２の石英製λ／４フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。 実施例１−３の石英製λ／４フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。 実施例２で検討を行ったＣａＦ_２製のλ／４フレネルロムの概要図である。 実施例２−１のＣａＦ_２製λ／４フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。 実施例２−２のＣａＦ_２製λ／４フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。 実施例２−３のＣａＦ_２製λ／４フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。 ４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を成膜した石英製とＣａＦ_２製のλ／４フレネルロムにおける位相差の波長特性を示すグラフである。 ４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を有する本実施形態のフレネルロムＱＷＰと、従来から存在する各種フレネルロムによる位相差の波長特性について比較したグラフである。 石英製の膜無しλ／４フレネルロムと、全反射面にＭｇＦ_２単層膜を形成した従来のフレネルロム（ＭｇＦ_２単層膜）の概要図である。 ４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を有する本実施形態のフレネルロムＱＷＰと、石英製の膜無しλ／４フレネルロムと、全反射面にＭｇＦ_２単層膜を形成した従来のフレネルロム（ＭｇＦ_２単層膜）の位相差の波長特性を比較したグラフである。 石英製λ／４フレネルロムロング型の概要図である。 ４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を有する本実施形態のフレネルロムＱＷＰと、石英製の膜無しλ／４フレネルロムロング型の位相差の波長特性を比較したグラフである。 石英製λ／４フレネルロム１個型の概要図である。 全反射面に２層膜を有する石英製λ／４フレネルロム１個型と４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を有する本実施形態のフレネルロムＱＷＰの位相差の波長特性を比較したグラフである。 石英製λ／４フレネルロムキング型の概要図である。 全反射面にコーティングを有する石英製λ／４フレネルロムキング型と４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を有する本実施形態のフレネルロムＱＷＰの位相差の波長特性を比較したグラフである。 実施例３−１−１の石英製λ／４フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。 実施例３−１−２の石英製λ／４フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。 実施例３−２−１のＣａＦ_２製λ／４フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。 実施例３−２−２のＣａＦ_２製λ／４フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。 実施例３−２−３のＣａＦ_２製λ／４フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。 実施例３−２−４のＣａＦ_２製λ／４フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

以下、図１Ａ乃至図２７を参照しながら、本発明の一実施形態（以下、本実施形態）に係るフレネルロムについて説明する。本実施形態に係るフレネルロムＱＷＰは、真空紫外から近赤外の波長領域において位相差の波長依存性が小さい多層膜付きのλ／４フレネルロム（位相子）である。

本願明細書において、○ｎｍ〜△ｎｍは、○ｎｍ以上△ｎｍ以下を意味する。
本明細書において、「コンタクト」とは、一対の隣接するプリズムが相互に接触して配置されていることをいい、直接接合されているオプティカル・コンタクトのほか、接着による接合も含まれる。
また、本明細書において、プリズム素子（菱面体）が「対向」するとは、直接接合されているオプティカル・コンタクトの場合と、接着剤など、何かを介在させて接合されている接着の場合、空気層を介在させている場合とを含む。

［１．本実施形態のフレネルロムＱＷＰの構造］
本実施形態のフレネルロムＱＷＰ（λ／４フレネルロム、λ／４波長板）は、平行四辺形状のプリズム素子を２つ組み合わせた構造（ダブル型のフレネルロム）であり、具体的には、図１Ａに示すように、断面（図１Ａの面と平行な断面、つまり、後述する各入射端面、出射端面、全反射面と直交する断面）が平行四辺形の平行四辺形状の第一菱面体１０及び第二菱面体２０を備えている。第一菱面体１０及び第二菱面体２０は、同一形状であり、等方性材料で形成されている。

（第一菱面体１０）
第一菱面体１０は、第一入射端面１１と、第一入射端面１１と平行に配置された第一出射端面１２と、第一入射端面１１及び第一出射端面１２と交わる第一全反射面１３と、第一全反射面１３と平行に配置された第二全反射面１４と、を有している。

第一菱面体１０において、第一入射端面１１及び第一出射端面１２は互いに平行であり、かつ、第一全反射面１３及び第二全反射面１４は互いに平行である。また、第一菱面体１０において、第一入射端面１１と第一全反射面１３との間、及び、第一出射端面１２と第二全反射面１４との間は、互いに９０度よりも小さい角度（楔角α）で交わっている。さらに、第一菱面体１０において、第一入射端面１１と第二全反射面１４との間、及び、第一出射端面１２と第一全反射面１３との間は、互いに９０度よりも大きい角度で交わっている。

（第二菱面体２０）
第二菱面体２０は、第二入射端面２１と、第二入射端面２１と平行に配置された第二出射端面２２と、第二入射端面２１及び第二出射端面２２と交わる第三全反射面２３と、第三全反射面２３と平行に配置された第四全反射面２４と、を有している。

第二菱面体２０において、第二入射端面２１及び第二出射端面２２は互いに平行であり、かつ、第三全反射面２３及び第四全反射面２４は互いに平行である。また、第二菱面体２０において、第二入射端面２１と第三全反射面２３との間、及び、第二出射端面２２と第四全反射面２４との間は、互いに９０度よりも小さい角度（楔角α）で交わっている。さらに、第二菱面体２０において、第二入射端面２１と第四全反射面２４との間、及び、第二出射端面２２と第三全反射面２３との間は、互いに９０度よりも大きい角度で交わっている。

第一菱面体１０及び第二菱面体２０は、第一菱面体１０の第一出射端面１２と、第二菱面体２０の第二入射端面２１とが互いに平行になるように対向して配置されている。
第一出射端面１２と第二入射端面２１は、オプティカル・コンタクトによる直接接合とすることが好適であるが、紫外線透過接着剤を用いた接着固定とすることや、接合を行わずに隙間を空けて配置することも可能である。

上述したように第一菱面体１０の第一入射端面１１と第一全反射面１３（第一出射端面１２と第二全反射面１４）は楔角αをなしており、同様に、第二菱面体２０の第二入射端面２１と第三全反射面２３（第二出射端面２２と第四全反射面２４）も楔角αをなしている。ここで、楔角αは、第一菱面体１０及び第二菱面体２０を構成する等方性材料の種類に応じて適宜設定することが可能であり、等方性材料が石英の場合には楔角α＝４５．１°とし、等方性材料がＣａＦ_２の場合には楔角α＝４５．８５°とすればよい。

（等方性材料）
第一菱面体１０及び第二菱面体２０は、等方性材料から形成されており、上述した図１Ａは、等方性材料として石英を使用した場合を示している（楔角α＝４５．１°）。等方性材料としては、真空紫外から近赤外の波長領域を透過する材料であれば良く、入手性の観点から石英（溶融石英：屈折率ｎ＝１．４６＠５５０ｎｍ）やフッ化カルシウム（ＣａＦ_２：屈折率ｎ＝１．４４＠５４６ｎｍ）を用いると好適である。なお、用いる等方性材料については、位相差を劣化させてしまうような素材の欠陥や歪などがないことも重要であり、ＣａＦ_２よりも石英を用いることが好ましい。

第一菱面体１０の第一入射端面１１に入射した入射光線Ｉは、第一全反射面１３、第二全反射面１４、第三全反射面２３、第四全反射面２４の順で全反射して（反射光線Ｒ）、第二出射端面２２から出射光線Ｅとして出射する。フレネルロムＱＷＰでは、真空紫外から近赤外の波長領域において入射光線Ｉに対して略９０°（具体的には、９０°±１０°）の位相差を与えた出射光線Ｅが出射される。

フレネルロムＱＷＰを使用する時、第一菱面体１０の第一入射端面１１に対して、外部から実質的に垂直に入射させられた入射光線Ｉは、次のように進む。入射光線Ｉは、第一菱面体１０の第一全反射面１３及び第二全反射面１４において内部反射し、反射光線Ｒは、第一菱面体１０の第一出射端面１２から第二菱面体２０の第二入射端面２１へと出射する。そして、第一菱面体１０の第一出射端面１２から第二菱面体２０の第二入射端面２１へと入射した反射光線Ｒは、第三全反射面２３と第四全反射面２４において内部反射し、反射光線Ｒは、第二菱面体２０の第二出射端面２２から出射光線Ｅとして出射する。

本実施形態のフレネルロムＱＷＰは、同一の平行四辺形状のプリズム素子を２つ組み合わせた構造であり、入射光線Ｉと出射光線Ｅの光軸がずれない。換言すると、入射光線Ｉと出射光線Ｅが一直線になり、入射光線Ｉと出射光線Ｅの光軸が（略）同軸となる。つまり、本実施形態のフレネルロムＱＷＰを光軸Ｘの周りで回転させても、出射光線Ｅの位置が変わらないという特長がある。

（多層膜Ｍ）
第一全反射面１３、第二全反射面１４、第三全反射面２３及び第四全反射面２４の少なくとも２つ以上の面は、その面上に、第一菱面体１０及び第二菱面体２０を構成する等方性材料とは異なる屈折率の多層膜Ｍがコーティングされている（図１Ｂ）。

ここで、多層膜Ｍは、第一菱面体１０及び第二菱面体２０を構成する等方性材料よりも屈折率の大きい高屈折率材料で形成された高屈折率膜Ｍ_Ｈと、第一菱面体１０及び第二菱面体２０を構成する等方性材料よりも屈折率の小さい低屈折率材料で形成された低屈折率膜Ｍ_Ｌと、が交互に積層されている。高屈折率膜Ｍ_Ｈと低屈折率膜Ｍ_Ｌの積層の順序は図１Ｂに示すように、基板となる等方性材料の上に、高屈折率膜Ｍ_Ｈ、低屈折率膜Ｍ_Ｌの順で積層されていてもよいし、基板となる等方性材料の上に、低屈折率膜Ｍ_Ｌ、高屈折率膜Ｍ_Ｈの順で積層されていてもよい。

入射光線Ｉは、第一全反射面１３、第二全反射面１４、第三全反射面２３及び第四全反射面２４で全反射し、同時にｐ偏光とｓ偏光に位相差が発生する。通常、全反射に伴って生じる位相差は、波長が短くなるにつれて大きくなってしまう。そこで、フレネルロムＱＷＰでは、第一菱面体１０及び第二菱面体２０を構成する等方性材料（石英やＣａＦ_２）よりも大きい屈折率の高屈折率膜Ｍ_Ｈと、小さい屈折率の低屈折率膜Ｍ_Ｌからなる２種類の膜材料が交互に積層された多層膜Ｍを４つの全反射面の少なくとも２つ以上の面に施している。

高屈折率膜Ｍ_Ｈを構成する高屈折率材料としては、フッ化ガドリニウム（ＧｄＦ_３：屈折率ｎ＝１．５９＠５５０ｎｍ）、フッ化ランタン（ＬａＦ_３：屈折率ｎ＝１．５９＠５５０ｎｍ）及びフッ化ネオジム（ＮｄＦ_３：１．６１＠５５０ｎｍ）が例示されるが、これらの物質に限定されるものではない。また、低屈折率膜Ｍ_Ｌを構成する低屈折率材料としては、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２：屈折率ｎ＝１．３８〜１．４０＠５５０ｎｍ）が例示されるが、これに限定されるものではない。

高屈折率膜Ｍ_Ｈ及び低屈折率膜Ｍ_Ｌは、真空蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング等の方法により形成することが可能である。高屈折率膜Ｍ_Ｈ及び低屈折率膜Ｍ_Ｌの膜厚は、材料の種類に依存し、例えば、１００Å以上６５０Å以下とすればよいが、この範囲に限定されるものではない。

フレネルロムＱＷＰは、４つの全反射面の少なくとも２つ以上の面が、上述の多層膜Ｍを有していることで、真空紫外から近赤外の波長領域（例えば、１９０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長領域）において位相差の波長依存性を小さくする事を可能となっている。

（素子のサイズについて）
本実施形態のフレネルロムＱＷＰについて、素子の幅Ｗ（素子の厚み）、素子の開口Ｋ、素子の高さＨ、素子の長さＬを、図１Ａに示すように定義する。第一菱面体１０及び第二菱面体２０を構成する等方性材料が石英であるとき、楔角α＝４５．１°であり、素子の幅Ｗ：素子の開口Ｋ：素子の高さＨ：素子の長さＬ＝１０ｍｍ：１０ｍｍ：２０ｍｍ：２０．１ｍｍとなる。また、第一菱面体１０及び第二菱面体２０を構成する等方性材料がＣａＦ_２であるとき、楔角α＝４５．８５°であり、素子の幅Ｗ：素子の開口Ｋ：素子の高さＨ：素子の長さＬ＝１０ｍｍ：１０ｍｍ：２０．３ｍｍ：２１．２ｍｍとなる。

このように、本実施形態のフレネルロムＱＷＰでは、素子の幅Ｗ又は素子の開口Ｋの比を１としたときに、素子の高さＨや素子の長さＬの比が約２．０〜２．１、つまり、２．０以上２．１以下となり、素子の高さが高くなることや、素子の長さが長くなってしまうことが無く、素子のサイズを小型なものにすることが可能である。

［２．全反射面への多層膜の適用による位相差への効果］
図２Ａは、石英における各全反射面への入射角と位相差の関係を波長毎に示したものである。図２Ｂは、フレネルロムにおける入射角θと楔角αの説明図である。フレネルロムに光線を垂直入射した場合、楔角α＝入射角θとなる。各全反射面に多層膜が無い状態での計算値である。フレネルロムは、光線が全反射する際にｐ偏光とｓ偏光に位相差が生じる事を利用した位相子であり、生じる位相差は、素材の屈折率と全反射角に依存する。屈折率には、波長依存性がある為、生じる位相差にも、波長依存性が出てしまう。

図１Ａに示すフレネルロムＱＷＰのような、４回全反射させる屋根型（ダブル型）と呼ばれる構造の場合、位相差９０°（λ／４）を得る為には、全反射１回当たりの位相差が、２２．５°になるような楔角にする必要がある。等方性材料として石英を用いる場合、楔角α＝約７５°又は、約４５°になる。

図３に、楔角α＝約７５°（７４．６°）のフレネルロムと、楔角α＝約４５°（４５．１°）のフレネルロムの素子サイズの比較を示す。楔角α＝約７５°の場合、開口Ｋ＝１０ｍｍに対して長さＬ＝約１３５ｍｍと非常に長くなってしまうため、製作上や使用上、現実的ではない。一方、楔角α＝約４５°の場合には、開口Ｋ＝１０ｍｍに対して長さＬ＝約２０ｍｍと現実的なものとなる。

位相差性能は、楔角α＝約４５°で製作した場合は波長依存性が大きく、λ／４位相子として使用するには難がある（図４）。この状況に対して、本実施形態のフレネルロムＱＷＰでは、全反射面に２種類の材料による多層膜Ｍを施すことで、実用的な位相差が真空紫外から近赤外の波長領域で得られることを見出した。

図５に、石英よりも小さい屈折率をもつＭｇＦ_２材料による膜を全反射面に施した場合の位相差の変化の様子を示す（楔角α＝約４５°（４５．１°）のフレネルロム）。石英よりも小さい屈折率を持つ材料の膜では、膜厚を厚くすると、全体的な位相差は小さくなる傾向にあるが、紫外領域までの位相差を平らにする事ができない。更に、膜厚を厚くし過ぎると、８００Åの場合にて示されるように、紫外領域の位相差の波長依存性が大きくなる。

図６に、石英よりも大きい屈折率をもつＧｄＦ_３材料による膜を全反射面に施した場合の位相差の変化の様子を示す（楔角α＝約４５°（４５．１°）のフレネルロム）。大きな屈折率を持つ材料の膜では、膜厚を厚くすると、全体的な位相差は大きくなる傾向にある為、紫外〜近赤外領域全体で位相差を９０°にする事ができない。更に、膜厚を厚くしていくと、８００Åの場合で示されるように、紫外領域の位相差にうねりが発生する。

図７に、全反射面に施した膜の構成と位相差について示す。ＧｄＦ_３膜とＭｇＦ_２膜の２層膜によって、ＭｇＦ_２単層膜では実現することが出来なかった、真空紫外領域における位相差を９０°に近づける事が出来るようになる。この為、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの位相差が９０°±１０°と、従来技術にはない優れた位相差性能を持った実用的な位相子を実現することが可能となる。

４層膜の場合を示すように、多層膜を２層より多層化した場合でも、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの位相差が９０°±１０°にする事が可能になる。ただし、２層膜と４層膜の場合で位相差性能に大きな差は無く、多層化による効果はあまり大きくない。

［３．本実施形態のフレネルロムＱＷＰの応用例］
本実施形態のフレネルロムＱＷＰの応用例について、以下に示す。本実施形態のフレネルロムＱＷＰは、計測装置に応用可能である。ここで、「計測装置」とは、各種の測定装置、分析装置、検査装置、観察装置を含むものとする。

半導体検査装置は、微細領域の検査を行う装置であり、紫外光を積極的に利用するため、真空紫外から近赤外の波長領域で使用可能な本実施形態のフレネルロムＱＷＰを用いると好適である。白色光の偏光を利用している半導体検査装置であれば、本実施形態のフレネルロムＱＷＰが利用可能である。

本実施形態のフレネルロムＱＷＰを適用する具体的な対象装置として、分光エリプソメーターが例示される。具体的には、分光エリプソメーターの補償素子としてフレネルロムＱＷＰを利用することができる。

また、本実施形態のフレネルロムＱＷＰを、微小領域を観察するための観察装置に適用することも可能である。偏光を制御することでコントラストを向上できる場合がある。より微細な観察を行うためには、短い波長も使った観察が必要になるため、本実施形態のフレネルロムＱＷＰを使用するメリットがある。

さらに、異物検知を行うため、異物からの散乱光の偏光状態が正常な部分と異なる特性を利用した観察装置や検査装置、具体的には、半導体ウエハー上の配線パターンの偏光状態を観察して異物を発見する装置に本実施形態のフレネルロムＱＷＰを適用することができる。装置によって、偏光の利用方法は異なるが、偏光情報から半導体の各プロセスで発生した異常（不良）を発見する際に、本実施形態のフレネルロムＱＷＰを位相差１８０°（λ／２）の位相子と組み合わせることで、様々な偏光計測が可能となる。

また、膜厚計に本実施形態のフレネルロムＱＷＰを適用することができる。膜厚計は、主に半導体プロセス中の検査などに用いられるが、フィルム厚、塗装厚等を測定するなど、他の膜状の物の検査にも使われている。膜厚計の測定原理は、様々であるが、エリプソメーター同様の偏光解析で膜厚を測定する装置もある。

その他、本実施形態のフレネルロムＱＷＰは、機器偏光を低減させるための偏光解消素子の代わりに使用することができる。反射光学系では、ｐ偏光とｓ偏光の反射率が異なるため、入射光線の偏光状態が異なる場合や変動する場合、透過率が異なったり、変動したりする。このことを防止するために、入射光線の偏光状態を一定にしたり、光学系からの出射光線の偏光状態を一定にしたりすることがある。精密な計測を行う装置の場合には、入射光線や出射光線の偏光状態を一定にすることが必要になる。本実施形態のフレネルロムＱＷＰを位相差１８０°（λ／２）の位相子と組み合わせることで、いかなる偏光状態も作り出すことができるため、入射光線や出射光線の偏光状態を一定にすることが可能となる。

以下、実施例に基づき、本発明の多層膜付きλ／４フレネルロムについて更に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

以下の実施例では、菱面体を形成する等方性材料として石英又はＣａＦ_２を用い、フレネルロムＱＷＰに多層膜を形成した際の位相差の波長特性を示す。具体的には、石英製とＣａＦ_２製のフレネルロムＱＷＰの４つの全反射面の少なくとも２つ以上の面に、膜材料が異なる３種類の２層膜（多層膜）をそれぞれ成膜したものを示す。

＜実施例１．多層膜付き石英製λ／４フレネルロム＞
石英製のλ／４フレネルロムの４つ全ての全反射面に、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２、ＬａＦ_３／ＭｇＦ_２、ＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜を成膜した場合における位相差の波長特性を実施例１−１．〜１−３．に示す。図８は、石英製のλ／４フレネルロムの概要図で、２層膜の種類（構成）によらず同一の形状である。なお、２つの菱面体をオプティカル・コンタクトした場合と、互いに離して平行に並べた場合の位相差に違いはない。

（実施例１−１．石英製λ／４フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜）
図９に４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表１に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で８１．６〜９９．０°の位相差にする事が可能になる。

（実施例１−２．石英製λ／４フレネルロム、ＬａＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜）
図１０に４つの全反射面にＬａＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表２に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＬａＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で８４．２〜９９．４°の位相差にする事が可能になる。

（実施例１−３．石英製λ／４フレネルロム、ＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜）
図１１に４つの全反射面にＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表３に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で８３．５〜９８．０°の位相差にする事が可能になる。

＜実施例２．多層膜付きＣａＦ_２製λ／４フレネルロム＞
ＣａＦ_２製のλ／４フレネルロムの４つ全ての全反射面に、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２、ＬａＦ_３／ＭｇＦ_２、ＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜を成膜した場合の位相差波長特性を実施例２−１〜２−３に示す。図１２は、ＣａＦ_２製のλ／４フレネルロムの概要図で、２層膜の種類によらず同一の形状である。なお、２つの菱面体をオプティカル・コンタクトした場合と、互いに離して平行に並べた場合の位相差に違いはない。

（実施例２−１．ＣａＦ_２製λ／４フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜）
図１３に４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表４に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で８６．３〜９６．８°の位相差にする事が可能になる。

（実施例２−２．ＣａＦ_２製λ／４フレネルロム、ＬａＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜）
図１４に４つの全反射面にＬａＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表５に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＬａＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で８７．３〜９７．４°の位相差にする事が可能になる。

（実施例２−３．ＣａＦ_２製λ／４フレネルロム、ＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜）
図１５に４つの全反射面にＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表６に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で８５．８〜９６．３°の位相差にする事が可能になる。

＜比較例．従来のフレネルロムとの比較＞
本実施形態の多層膜付きλ／４フレネルロムと従来のフレネルロムとの比較を以下に示す。本実施形態の多層膜付きλ／４フレネルロムは、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍと真空紫外から近赤外の波長領域において、位相差を９０±１０°にする事が可能な位相子である。第一菱面体１０及び第二菱面体２０を構成する素材は、上記の波長帯域を透過する等方性材料で安定的な入手が可能な石英又はＣａＦ_２となる。図１６に示すように、位相差特性は、石英製の方が若干劣っている為、以下に示す比較は、等方性材料として石英を用いた場合で行う。

図１７は、全反射面に２層膜を有する本実施形態のフレネルロムＱＷＰと、従来から存在する各種フレネルロムによる位相差の波長特性について比較したものである。フレネルロムは、位相差の波長特性に優れた素子で、素材に石英を使用する事で、真空紫外から近赤外領域までの波長領域に対応可能な位相子とする事が可能である。位相差の平坦性や使用時の使い勝手などは、構造によって異なり、これらを鑑みた際に、優れた位相差性能を持ち、使い勝手が良く、現実的なフレネルロムは、従来存在していなかった。

（比較例１．石英製λ／４フレネルロム膜無し、ＭｇＦ_２単層膜フレネルロム（従来品）との比較）
図１８Ａに石英製の膜無しλ／４フレネルロムと、全反射面にＭｇＦ_２単層膜を形成した従来のフレネルロム（ＭｇＦ_２単層膜フレネルロム）の概要図を示し、図１８Ｂに位相差の波長特性の比較を示す。なお、ＭｇＦ_２単層膜フレネルロムは、特許文献１を参考にλ／４フレネルロムとして検討し直したものである。ここで示した２つの従来品と本実施形態のフレネルロムＱＷＰは、基本形状は同一であり、違いは全反射面の膜構成のみとなっている。このような屋根型（ダブル型）と言われる構造の場合、入射光線と出射光線の光軸にズレなどが起こらない為、光学系を組み立てる際や、素子を回転させて使用する際に非常に便利である。また、開口と長さの比が１０：２０程度と偏光用素子としては、一般的な大きさである。位相差特性は、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍにおいて、本実施形態のフレネルロムＱＷＰ以外は、９０°±１０°を超えてしまう。

（比較例２．石英製λ／４フレネルロム、ロング型（従来品）との比較）
図１９Ａに石英製λ／４フレネルロムロング型（従来品）の概要図を示し、図１９Ｂに位相差の波長特性の比較を示す。ロング型は、位相差の平坦性に優れているという特徴があるが、開口Ｋ＝１０ｍｍに対して長さＬ＝１３５ｍｍと、素子が長過ぎるため使用上現実的なものではない。

（比較例３．石英製λ／４フレネルロム１個型との比較）
図２０Ａに石英製λ／４フレネルロム１個型（従来品）の概要図を示し、図２０Ｂに位相差の波長特性の比較を示す。この１個型は、特許文献２の記述を基に楔角や膜構成を検討したものであり、位相差の平坦性に優れているという特徴があるが、１個型は、構造上、入射光線と出射光線の光軸にズレが発生するという特徴がある。この場合、光学系を組む際に、入射光線と出射光線の光軸のズレに合わせて、後続の部品もずらして配置しなければならなくなったり、１個型フレネルロムを回転させながら使用すると、出射光線の位置も回転してしまい、使用し難いという問題がある。

（比較例４．石英λ／４フレネルロムキング型との比較）
図２１Ａに石英λ／４フレネルロムキング型（従来品）の概要図を示し、図２１Ｂに位相差の波長特性の比較を示す。このキング型は、特許文献２の記述を基に楔角や膜構成を検討したものであり、位相差の平坦性に優れているという特徴があるが、構造上、図２１Ａに図示した一か所の位置以外では、入射光線と出射光線の光軸にズレが発生し光線の上下が逆転する。この為、光線の上下を修正する部品を追加する必要があり、使用し難いという問題がある。

＜実施例３．多層膜の成膜面数を２つ又は３つとした多層膜付きλ／４フレネルロム＞
石英製又はＣａＦ_２製λ／４フレネルロムに多層膜を成膜した際の位相差の波長特性を以下に示す。具体的には、石英製又はＣａＦ_２製のフレネルロムの２つ又は３つの全反射面に、膜材料ＧｄＦ_３とＭｇＦ_２の、２層膜又は４層膜を成膜した場合にも、波長１９０〜２０００ｎｍにおける位相差範囲が８５°〜１１０°の範囲となることを示す例である。

（実施例３−１．多層膜付き石英製λ／４フレネルロム）
石英製のλ／４フレネルロムの３つの全反射面に、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜又は４層膜を成膜した場合の位相差波長特性を実施例３−１−１、３−１−２に示す。具体的には、図８に示す石英製のλ／４フレネルロムにおいて、４つの全反射面の任意の３つの面に２層膜又は４層膜を成膜した例を示す。

（実施例３−１−１．石英製λ／４フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２、成膜面数：３面、２層膜）
図２２にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表７に膜厚などを示す。ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜を３つの全反射面に成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で８４．２〜１０９．５°の位相差にする事が可能になる。

（実施例３−１−２．石英製λ／４フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２、成膜面数：３面、４層膜）
図２３にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による４層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表８に膜厚などを示す。ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の４層膜を３つの全反射面に成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で８３．３〜１０４．６°の位相差にする事が可能になる。

（実施例３−２．多層膜付きＣａＦ_２製λ／４フレネルロム）
ＣａＦ_２製のλ／４フレネルロムの２つ又は３つの全反射面に、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜又は４層膜を成膜した場合の位相差波長特性を実施例３−２−１〜３−２−４に示す。具体的には、図１２に示すＣａＦ_２製のλ／４フレネルロムにおいて、４つの全反射面の任意の２つ又は３つの面に２層膜又は４層膜を成膜した例を示す。

（実施例３−２−１．ＣａＦ_２製λ／４フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２、成膜面数：２面、２層膜）
図２４にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表９に膜厚などを示す。ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜を２つの全反射面に成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で８５．７〜１１０．０°の位相差にする事が可能になる。

（実施例３−２−２．ＣａＦ_２製λ／４フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２、成膜面数：２面、４層膜）
図２５にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による４層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表１０に膜厚などを示す。ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の４層膜を２つの全反射面に成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で８５．０〜１０９．４°の位相差にする事が可能になる。

（実施例３−２−３．ＣａＦ_２製λ／４フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２、成膜面数：３面、２層膜）
図２６にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表１１に膜厚などを示す。ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜を３つの全反射面に成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で８５．９〜１０３．５°の位相差にする事が可能になる。

（実施例３−２−４．ＣａＦ_２製λ／４フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２、成膜面数：３面、４層膜）
図２７にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表１２に膜厚などを示す。ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の４層膜を３つの全反射面に成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で８６．６〜１０２．３°の位相差にする事が可能になる。

以上の結果から、多層膜を成膜する全反射面の数が多く、多層膜の層数が２層膜である方が、広帯域な位相差特性を得られやすいことが分かった。したがって、多層膜付きλ／４フレネルロムにおいては、４つの全反射面の全てに２層膜を形成することが最も好ましい。

ＱＷＰ フレネルロム
１０ 第一菱面体
１１ 第一入射端面
１２ 第一出射端面
１３ 第一全反射面
１４ 第二全反射面
２０ 第二菱面体
２１ 第二入射端面
２２ 第二出射端面
２３ 第三全反射面
２４ 第四全反射面
Ｍ 多層膜
Ｍ_Ｈ 高屈折率膜
Ｍ_Ｌ 低屈折率膜
θ 入射角
α 楔角
Ｗ 素子の幅（素子の厚み）
Ｈ 素子の高さ
Ｌ 素子の長さ
Ｋ 素子の開口
Ｉ 入射光線
Ｒ 反射光線
Ｅ 出射光線
Ｘ 光軸

Claims (9)

1. 等方性材料で形成された平行四辺形状の第一菱面体及び第二菱面体を備えるフレネルロムであって、
   前記第一菱面体は、第一入射端面と、前記第一入射端面と平行に配置された第一出射端面と、前記第一入射端面及び前記第一出射端面と交わる第一全反射面と、前記第一全反射面と平行に配置された第二全反射面と、を有し、
   前記第二菱面体は、第二入射端面と、前記第二入射端面と平行に配置された第二出射端面と、前記第二入射端面及び前記第二出射端面と交わる第三全反射面と、前記第三全反射面と平行に配置された第四全反射面と、を有し、
   前記第一入射端面に入射した入射光線は、前記第一全反射面、前記第二全反射面、前記第三全反射面及び前記第四全反射面で全反射して、前記第二出射端面から出射光線として出射し、
   前記第一全反射面、前記第二全反射面、前記第三全反射面及び前記第四全反射面の少なくとも２つ以上の面には、多層膜が形成されており、
   前記多層膜は、前記等方性材料よりも屈折率の大きい高屈折率材料で形成された高屈折率膜と、前記等方性材料よりも屈折率の小さい低屈折率材料で形成された低屈折率膜と、が交互に積層されており、
   前記入射光線と前記出射光線の光軸が同軸であり、
   １９０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長領域において前記入射光線に対して９０°±１０°の位相差を与えることを特徴とするフレネルロム。
2. 前記第一全反射面、前記第二全反射面、前記第三全反射面及び前記第四全反射面の全てに前記多層膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のフレネルロム。
3. 前記低屈折率材料がＭｇＦ_２であり、
   前記高屈折率材料がＧｄＦ_３、ＬａＦ_３及びＮｄＦ_３からなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項１又は２に記載のフレネルロム。
4. 前記等方性材料が石英又はＣａＦ_２であることを特徴とする請求項３に記載のフレネルロム。
5. 前記等方性材料が石英であり、
   前記第一菱面体及び前記第二菱面体の楔角が４５．１°であることを特徴とする請求項３に記載のフレネルロム。
6. 前記多層膜が２層膜であることを特徴とする請求項５に記載のフレネルロム。
7. 前記等方性材料がＣａＦ_２であり、
   前記第一菱面体及び前記第二菱面体の楔角が４５．８５°であることを特徴とする請求項３に記載のフレネルロム。
8. 前記多層膜が２層膜であることを特徴とする請求項７に記載のフレネルロム。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載のフレネルロムを備えることを特徴とする計測装置。

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