JP2002013980A - 分光器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 凹面回折格子を用いた分光器の光学系におい
て、非点収差による光の損失を軽減する。 【解決手段】 照明光学系Ａを光源１、凹球面鏡２及び
凸円筒面鏡３で構成し、分光光学系Ｂを入口スリット
４、凹面回折格子５、出口スリット６で構成し、、照明
光学系Ａにおけるメリジオナル光線を入口スリット３に
集光させるとともに、照明光学系Ａ及び分光光学系Ｂに
おけるサジタル光線は出口スリット６に集光させる。こ
れにより、照明光学系Ａ及び分光光学系Ｂで発生する非
点収差による非点隔差は互いに逆向きになり相殺される
ため、試料面１０上では非点収差の影響を受けないスポ
ットが得られる。また、凸円筒面鏡３によりサジタル面
内で光線束を広げているので、入口スリット４を通過す
る光量が増加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は分光器に関し、特
に、短波長である真空紫外領域の光を波長分散するのに
好適な分光器に関する。

【０００２】

【従来の技術】紫外可視分光光度計を始めとする分光光
度計においては、光源から発した光のうち、特定の波長
のみを含む単一波長光を取り出して試料に照射するため
に分光器が利用される。波長が１２０〜３５０ｎｍ程度
の真空紫外領域の光を用いる分光器では、反射鏡での光
の損失が大きいため、できるだけ反射鏡の数を減らした
光学系を構成することが望ましい。

【０００３】そこで、従来の分光器では、光源と、該光
源からの光を後記入口スリットに集光するための凹面鏡
とから照明光学系を構成し、入口スリット、凹面回折格
子及び出口スリットから分光光学系を構成している。分
光光学系は、ローランド円を用いない構成として、いわ
ゆる瀬谷−波岡マウンティングと呼ばれる分光光学系が
利用される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
このような光学系には次のような問題がある。一般的な
構成では、上記凹面鏡として球面鏡が光軸からずらした
状態（つまり軸外し）で使用されるため、入口スリット
面上では、光源像はスリットの長手方向に細長い像とな
るばかりでなく、真直ぐに延伸せず湾曲形状となる。そ
のため、入口スリットでの光の損失が大きい。また、分
光光学系においては、凹面回折格子として球面形状のも
のが使用されるが、この球面回折格子の非点収差によ
り、分光スペクトルが分散方向と直交する方向に広が
り、光量の損失が生じる。

【０００５】上述したように紫外領域の光を使用する分
光器では光学素子による光の吸収の影響が大きいため、
上記の如き光量の損失はできるだけ少なくしておく必要
がある。特に、近年、半導体ウエハなどの分析・測定に
利用される機器では、半導体の配線パターンの微細化に
伴って測定光も短波長化する必要があり、１５０ｎｍ程
度のかなり短い波長の紫外光を用いることが要求され
る。その場合、上記の如き光の損失を極限まで減らすこ
とが望まれる。

【０００６】上述したような光量の損失を防止するため
に、照明光学系では、凹面鏡としてトロイダル鏡を用い
ることにより入口スリット面上での結像の垂直方向の伸
びを補正する、分光光学系では、収差補正型回折格子を
利用して分光スペクトルの非点収差を補正するなどの方
法が考えられる。しかしながら、トロイダル鏡は垂直方
向及び水平方向にそれぞれ異なる曲率半径を有するもの
であるため、球面鏡と比較して製作が非常に困難であ
り、製造コストが高くなるにも拘わらず精度も低く、像
の曲がりを充分に補正することはできなかった。更に、
組立時の調整も困難であり、調整不足による分解能の低
下も免れなかった。また、収差補正型回折格子も通常の
球面状の凹面回折格子と比較してコストが高いものであ
った。

【０００７】本発明はこのような点に鑑みて成されたも
のであり、その主たる目的は、トロイダル鏡や収差補正
型回折格子のような高価な光学部品を用いることなく、
出口スリットの外側の試料面での光の損失を軽減するこ
とができる光学系を有する分光器を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明に係る分光器は、光源、該光源からの
光を反射する凹球面鏡、及び該凹球面鏡からの光を反射
する凸面鏡を含む照明光学系と、入口スリット、該入口
スリットを通して導入された光を波長分散する凹面回折
格子、及び該凹面回折格子で波長分散された光の一部を
通過させる出口スリットを含む分光光学系とを有し、前
記照明光学系にあっては、凹球面鏡及び凸面鏡を光軸外
しの配置とし、そのメリジオナル光線を前記入口スリッ
トに集光させるとともに、前記照明光学系及び分光光学
系によるサジタル光線を前記出口スリットに集光させる
ように配置したことを特徴としている。

【０００９】ここで、メリジオナル光線は、光軸と主光
線とを含む平面であるメリジオナル面内に含まれる光
線、サジタル光線は、主光線を含みメリジオナル面に直
交する平面であるサジタル面に含まれる光線のことであ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態による
分光器について図面を参照して説明する。図１は本実施
形態による分光器の光路構成図であり、（ａ）は上面
図、（ｂ）は斜視図である。

【００１１】この分光器において、照明光学系Ａは、Ｄ
２ランプである光源１、凹球面鏡２、及び凸円筒面鏡３
から構成される。一方、分光光学系Ｂは、入口スリット
４、凹面回折格子５及び出口スリット６から構成され
た、いわゆる瀬谷・波岡型マウンティングである。出口
スリット６の外側にはモニタ用の反射鏡７が光路中に挿
入・退却自在に配置され、更に、光束の進行方向に沿っ
て、第１凹面円筒鏡８、第２凹面円筒鏡９、試料面１０
及び光検出器１１が配設されている。

【００１２】上記構成における光の主光線は図１中に１
点鎖線で示した通りである。すなわち、光源１から発し
た光は凹球面鏡２で反射・集光され、更に凸円筒面鏡３
で反射される。凸円筒面鏡３の中心軸はスリット開口の
延伸方向（つまりＺ軸方向）に直交しているため、凸円
筒面鏡３により、光束はＺ軸方向には広がり、スリット
開口の短手方向（つまりＸ軸方向）には凹球面鏡２によ
る集光状態のまま集光する。つまり、凹球面鏡２及び凸
円筒面鏡３により、入口スリット４の開口形状と同様
に、Ｚ軸方向に長く延伸した状態で入口スリット４に集
光する。入口スリット４を通過した光は凹面回折格子５
により、Ｚ軸方向に集光されるとともに、その直交方向
に波長分散される。そして、出口スリット６によりごく
狭い波長範囲の光のみが取り出され、第１及び第２凹円
筒面鏡８、９で反射されて試料面１０に集光され、試料
面１０での反射光が検出器１１に導入される。

【００１３】本実施形態による分光器では、各光学部品
は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すような離間間隔及び角
度を持って配置される。なお、図１中の寸法の単位はす
べてｍｍである。また、各光学部品の具体的な仕様は次
の通りである。 （１）光源１ ２ｍｍφの重水素ランプ（放射波長：１１５〜４００ｎ
ｍ） （２）凹球面鏡２ 曲率半径：３２２．０ｍｍ （３）凸円筒面鏡３ 曲率半径：３９７．３６ｍｍ （４）入口スリット４ 開口サイズ：１（Ｗ）×４０（Ｈ）ｍｍ （５）凹面回折格子５ 曲率：４９８．１ｍｍ Ｎ＝１２００本／ｍｍ 逆線分散：１．６６ｎｍ／ｍｍ 波長範囲：１２０〜３５０ｎｍ ブレーズ波長：１５０ｎｍ ブレーズ角：５°１０′ 回折次数：−１ 回折格子サイズ：５０（Ｗ）×３０（Ｈ）ｍｍ （６）出口スリット６ 開口サイズ：１（Ｗ）×１（Ｈ）ｍｍ （７）凹円筒面鏡８ 曲率半径：３９７．３６ｍｍ （８）凹円筒面鏡９ 曲率半径：３２２．０ｍｍ

【００１４】この光学系の構成の特徴の１つは、照明光
学系Ａにおけるメリジオナル光線が入口スリット４に集
光するように、また、照明光学系Ａ及び分光光学系Ｂに
おけるサジタル光線が出口スリット６に集光するように
配置が決められている点にある。照明光学系Ａにおける
メリジオナル光線を入口スリット４に集光させることに
より、照明光学系Ａで発生する非点収差による非点隔差
は、分光光学系Ｂから見ると入口スリット４の外側に位
置する。一方、照明光学系Ａ及び分光光学系Ｂにおける
サジタル光線を出口スリット６に集光させることによ
り、照明光学系Ａ及び分光光学系Ｂで発生する非点収差
による非点隔差は出口スリット６の外側に位置する。こ
の両者の非点隔差は互いに逆方向に生じるため、この組
み合わせにより非点収差は相殺される。その結果、試料
面１０における非点収差の影響は解消又は軽減され、光
が拡散せずに小さなスポットを得ることができる。

【００１５】また、この光学系の他の特徴は、照明光学
系Ａにおいて、凹面鏡と凸面鏡との組み合わせを利用し
ている点にある。すなわち、凹球面鏡２により光源１か
らの光を入口スリット４の短手方向に集光するととも
に、凸円筒面鏡３により入口スリット４の長手方向に伸
長させている。そのため、照明光学系Ａは、サジタル面
内、つまり入口スリット４の長手方向での開口数が実質
的に大きくなり、入口スリット４での光量の損失の軽減
に寄与している。

【００１６】図１に示した光学系構成で、入口スリット
４上の結像を計算機シミュレーションにより算出した結
果を図２（ａ）に、出口スリット６上での結像を計算機
シミュレーションにより算出した結果を図２（ｂ）に示
す。また、試料面１０での結像を計算機シミュレーショ
ンにより算出した結果を図３（ａ）に、従来の光学系に
よる試料面での結像を計算機シミュレーションにより算
出した結果を図３（ｂ）に示す。なお、ここでは、光の
波長は１５７ｎｍである。

【００１７】図２に示すように、入口スリット４及び出
口スリット６の開口寸法にほぼ収まる程度に光は集光さ
れており、各スリット４、６でのけられによる光の損失
はきわめて少なくてすむことがわかる。また、図３に明
らかなように、本実施形態の光路構成によると、試料面
１０での集光スポットは非常に小さくなり、従来の光路
構成よりも非点収差が大幅に改善されていることがわか
る。

【００１８】なお、上記実施形態は単に一例であって、
上記記載の数値は適宜に変えることができるほか、本発
明の趣旨の範囲で適宜に変更や修正を行えることは明ら
かである。

【００１９】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る分光器によ
れば、照明光学系と分光光学系とで生じる非点収差が相
殺されるため、試料面において非点収差による光の拡散
が軽減され、光の損失も軽減される。そのため、より多
くの光を検出器に導入することができ、結果的に、分析
感度の向上が達成される。また、入口スリットでの光の
損失が軽減されるので、これによっても検出器に到達す
る光量が増加し、分析感度の向上に寄与する。

【００２０】また、従来、集光効率のよい光学系を作る
にはトロイダル鏡等の複雑な構造の凹面鏡を用いる必要
があったが、本発明によれば、比較的製造が容易な球面
鏡や円筒面鏡で照明光学系を構成することができる。し
たがって、コストが安価ですむとともに、組立時の調整
も容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態による分光器の光路構成
図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は斜視図。

【図２】 本実施形態の分光器における入口スリット上
でのスポットダイヤグラム（ａ）、及び出口スリットで
のスポットダイヤグラム（ｂ）。

【図３】 本実施形態の分光器における試料面上でのス
ポットダイヤグラム（ａ）、及び従来の光学系による試
料面でのスポットダイヤグラム（ｂ）。

【符号の説明】

１…光源 ２…凹球面鏡 ３…凸円筒面鏡 ４…入口スリット ５…凹面回折格子 ６…出口スリット ７…モニタ用反射鏡 ８…第１凹円筒面鏡 ９…第２凹円筒面鏡 １０…試料面 １１…検出器 Ａ…照明光学系 Ｂ…分光光学系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 雄一郎 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会 社島津製作所内 Ｆターム(参考） 2G020 AA05 CB02 CB04 CB33 CB43 CC05 CC49

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源、該光源からの光を反射する凹球面
   鏡、及び該凹球面鏡からの光を反射する凸面鏡を含む照
   明光学系と、入口スリット、該入口スリットを通して導
   入された光を波長分散する凹面回折格子、及び該凹面回
   折格子で波長分散された光の一部を通過させる出口スリ
   ットを含む分光光学系とを有し、 前記照明光学系にあっては、凹球面鏡及び凸面鏡を光軸
   外しの配置とし、そのメリジオナル光線を前記入口スリ
   ットに集光させるとともに、前記照明光学系及び分光光
   学系によるサジタル光線を前記出口スリットに集光させ
   るように配置したことを特徴とする分光器。