JP2002504673A - 複屈折特性測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学材料の低レベル複屈折特性（リターダンスおよび速い軸の方向）を精密に測定する実用的な方法およ装置を提供すること。 【解決手段】 本装置は、試料領域にわたる複屈折特性の変化を検知し図表的に表示するために試料の領域にわたり行う複数の測定を可能にする。好適な実施例において、本装置は、試料（２６）を通って指向される偏光された光を変調する光弾性変調器（２４）を組み入れる。試料から伝播するビーム（Ｂｉ）は、１つの部分（Ｂ１）は他のビーム部分（Ｂ２）の偏光方向とは異なる偏光方向を有して、２つの部分に分離される。これらの分離ビーム部分は別個の経路として処理される。各経路に関係する検知機構（３２、５０）は、ビームの２つの部分のそれぞれに対応する時変光強度を検知する。この情報は、試料の速い軸の方向とともに、試料によってもたらされたリターダンスの精密な測定値を計算するために結合される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】

本発明は、透明な試料の線形複屈折特性の精密な測定方法および装置に関する
。

【０００２】

【背景技術】

多くの重要な光学材料は複屈折を示す。複屈折は、異なる直線偏光は異なる速
さで材料を通って進むことを意味する。これらの異なる偏光は、偏光された光の
２つの成分であって一方が他方に対して直交する成分であると最もしばしば考え
られている。

【０００３】 複屈折は多くの光学材料の固有の特性であり、外力によりもたらすこともでき
る。リターデーション（retardation）またはリターダンス（retardance）は、 試料を進む光ビームの経路に沿って行動する複屈折の統合的な結果を示す。入射
光ビームが直線偏光されると、偏光された光の２つの直交成分はリターダンスと
呼ばれる位相差を有して試料から出る。リターダンスの基本単位は、ナノメータ
ー（ｎｍ）のような長さの単位である。リターダンスを、光の波長（ｎｍ）で割
ったリターダンス（ｎｍ）に比例する位相角の単位（波長、ラジアンまたは度）
で表すことはしばしば好都合である。試料の「平均」複屈折は、測定されたリタ
ーデーションの大きさを試料の厚さで割ることによって計算されることがある。

【０００４】 前記した直交する２つの偏光成分は、試料によって決定されかつ「速い軸」お
よび「遅い軸」と呼ばれる２つの直交軸に平行である。速い軸は、試料を通って
偏光された光の速い運動成分と一直線な材料の軸である。それゆえ、所定の光路
に沿って試料のリターダンスを完全に記述するには、リターダンスの大きさおよ
び速い（または遅い）軸の相対的な角度方向を特定することを必要とする。

【０００５】 複屈折特性の精密な測定の必要性は、多くの技術的な応用においてますます重
要となっている。たとえば、半導体または他の産業で用いられる高精度な測定で
用いられる光学素子または光学要素の残余の線形複屈折（それゆえ付随的にもた
らされるリターダンス）を特定しかつ制御することは重要である。このように光
学産業は光学構成要素の線形複屈折を測定するための高感度な装置の要求を有し
ている。この要求は、特に低レベルのリターダンスの測定に関して十分には満足
されていない。

【０００６】

【発明の開示】

本発明は、光学材料の低レベル複屈折特性を精密に測定する実用的な方法およ
び装置を提供することを目的とする。リターダンスの大きさおよび速い軸の方向
は精密に計算される。本装置は、試料領域にわたるリターダンスの変化を検知し
図表的に表示するために試料の領域にわたり行う複数の測定を可能にする。

【０００７】 好適な実施例において、本装置は、試料を通って指向される偏光された光を変
調するために光弾性変調器を組み入れる。試料から伝播するビームは２つの部分
に分離される。これらの分離されたビーム部分は、別個の経路として異なった偏
光方向で分析され、検知されおよび処理される。各経路に関係する検知機構は、
ビームの２つの部分のそれぞれに対応する光の強度を検知する。この情報は、試
料によってもたらされたリターダンスおよび速い軸の方向の精密かつ無曖昧な値
を計算するためにアルゴリズムにおいて用いられる。

【０００８】 この発明の一形態として、本装置は、ビームにもたらされたリターダンスへの
寄与を最小限にしてビームを２つの部分に分割することを可能にする、ビーム分
割要素および検知器の配置を含む。さらに、光学系の残余の複屈折の存在（光弾
性変調器または本装置の光学構成要素に静的複屈折として存在するような）は多
くの方法で補償される。たとえば、特定の構成要素は、応力によってもたらされ
る複屈折が光学要素に加えられる可能性を最小限にするように配置または取り付
けられている。また、信頼できる校正技術が設けられている。

【０００９】 本装置は、試料の領域にわたり複数の位置のどの位置でも行われるように低レ
ベル複屈折の測定を可能にする。測定された結果は、データ・ファイルに収集さ
れ、迅速な分析のために図表的に表示される。

【００１０】 本発明の一実施例において、本装置の光学構成要素は、１つの側が反射可能に
被覆された試料の複屈折特性を測定するために配置され、試料が光の伝達が完全
でない場合でも複屈折特性の測定を可能にする。

【００１１】 本発明の他の利点および特徴は、以下に述べる詳細な説明および図を研究する
ことにより明らかになる。

【００１２】

【発明を実施するための最良の形態】

図１のブロック図は、本発明によりなされた装置の主要な光学構成要素を示し
ている。構成要素として、６３２．８ナノメーター（ｎｍ）の波長を有する光源
２０としてのヘリウム・ネオン・レーザーを含む。光源から発出したビーム「Ｂ
」は、約１ミリメートル（ｍｍ）の断面積または「スポット・サイズ」を有する
。

【００１３】 光源ビーム「Ｂ」は、基準軸に対して＋４５度の偏光方向に向けられた偏光子
２２に入射するように指向される。グラン・トムソン方解石偏光子のような消光
性の高い偏光子が好ましい。また、偏光子２２は精密かつ累進的な回転体に取り
付けられるのが好ましい。

【００１４】 偏光子２２からの偏光された光は、光弾性変調器２４の光学素子２５に入射す
る（図１および図５）。好適な実施例において、光弾性変調器（以下、「ＰＥＭ
」という）は、オレゴン州ヒルズボロのハインズ・インスツルメンツ（Hinds In
struments）社製のモデルPEM-90 I/FS50である。ＰＥＭが好適であるが、光源の
偏光を変調するために他の機構を代わりに用いることができることは注目すべき
点である。

【００１５】 ＰＥＭは、０度に向けられた複屈折軸を有し、発振複屈折を好ましくは公称周
波数５０ｋＨｚで光学素子２５に加える制御器８４によって制御される。この点
について、制御器８４は、光学素子２５が２つのクォーツ変換器２９間に接着剤
で結合されている２つのクォーツ変換器２９を駆動する。

【００１６】 ＰＥＭの発振複屈折は、ＰＥＭを通って伝播する偏光された光の直交成分間に
時変の位相差を発生させる。どの瞬間においても、位相差はＰＥＭによってもた
らされたリターデーションである。リターデーションは、ナノメーターのような
長さの単位で測定できる。ＰＥＭによってもたらされたリターデーションの大き
さを変化させることができるように、ＰＥＭは調整が可能である。手近な場合に
おいて、リターデーションの大きさは、０．３８３波長（２４２．４ｎｍ）であ
るように選択される。

【００１７】 ＰＥＭから伝播する光のビームは、透明な試料２６を通って指向される。試料
は、直交（ＸおよびＹ）軸に沿って試料を並進運動的意味で運動させるように制
御できる試料ステージ２８によってビームの経路に支持されている。この試料ス
テージ２８は、東京都のＴＨＫ株式会社によって製造されたモデルKR2602 A-250
のような、多くの従来設計のものとすることができる。明らかなように、試料ス
テージ２８の運動制御器は、試料の領域にわたるリターダンスおよび方向の複数
の測定に到達するためにビームで試料２６を走査できるように駆動される。

【００１８】 試料２６は、この試料を通るビームにリターダンスを発生させる。後述するよ
うに、本発明によって提供される処理によって決定される値が、このリターダン
スの値である。本装置は、リターダンスの低レベルを決定するのに特に適してい
る。低リターダンス・レベルは、±０．０１ｎｍ未満の感度で決定される。

【００１９】 試料によってもたらされるリターダンスの無曖昧な測定値を得るために、試料
を通って出るビーム「Ｂｉ」は、異なる偏光方向を有する２つの部分に分離され
、後続する処理のための情報の２つの経路を形成する。

【００２０】 最初に、ビーム「Ｂｉ」を分離するために好適な機構を着目するに、そのビー
ムの経路（以下、入射経路という）にビーム分割ミラー３０が配置されている。
ビーム「Ｂｉ」の部分「Ｂ１」は、ビーム分割ミラー３０を完全に通り、検知の
ための検知器組立体３２に入る。

【００２１】 図３は、ビーム分割ミラー３０を支持するために好適な機構を示している。特
に、ミラー３０は、腕３３によって据付けの垂直な柱３６に堅く支持されている
ハウジング３１の中央の開口に配置されている。柱３６は、光路が全体として垂
直となるように本装置の光学構成要素のすべてを支持するために用いられている
。

【００２２】 ミラー３０の直径は、ハウジングの開口の直径よりわずかに小さい。開口は、
平坦で丸いミラー３０の外周を支持するために、開口の最下端部に突出する環状
の肩部を除いて、ねじ山が形成されてる。保持環４０は、肩部に対してハウジン
グ３１の代わりにミラー３０を保持するために開口にねじ山が形成されている。

【００２３】 好適な実施例において、応力によってもたらされる複屈折がミラーに実質的に
発生しないようにミラー３０を選択し取り付けるために、注意が払われる。この
点について、ミラーは、好ましくは、スコット・ガラス型（Schott Glass type ）SF-57ガラスで作られる。このガラスは、極端に低い（ゼロに近い）応力光学 係数を有する。保持環４０は、ガラスに応力を与えることなくミラーを固定する
ために注意深く置かれる。選択的に、ミラーを固定するために可撓性の接着剤を
用いることができる。止めねじまたは他の応力をもたらす機構はミラーを取り付
けることに用いられない。

【００２４】 ビーム分割ミラーが好適であるが、ビーム「Ｂｉ」を２つの部分に分離するた
めに他の機構（フリッパー状ミラー配置のような）を代わりに用いることができ
る。

【００２５】 ミラー３０を通るビーム「Ｂｉ」の部分は、偏光方向が基準軸から−４５度で
あるように配置されている小型のグラン・テイラー型（Glan-Taylor type）分析
器４２を含む検知器組立体３２（図１）に入る。分析器４２からビーム「Ｂｉ」
は検知器４４に入り、その詳細はさらに以下に記載する。

【００２６】 ビーム分割ミラー３０の反射面３５（図３）は、上向きに試料２６の方を向い
て面している。ミラーは、入射経路（すなわち、試料２６から伝播するビーム「
Ｂｉ」の光路）が反射面３５とほぼ垂直になるように取り付けられている。この
方向付けは、好ましくは、ビームの経路を数度より大きく再方向付けすることを
要求される光学構成要素によって別な方法でもたらされるリターダンスを実質的
に除くためである。

【００２７】 図１は、入射経路に沿って進むビーム「Ｂｉ」とミラー３０から反射されたビ
ーム部分「Ｂｒ」との間に形成された角度「Ａ」を示している。角度「Ａ」は、
説明の目的のために非常に拡大して示している。好適な実施例において、この角
度は０度より大きく、１０度より小さい。最も好適な実施例においては、角度「
Ａ」は５度未満である。

【００２８】 反射された部分であるビーム「Ｂｒ」は、他方の検知器組立体５０に入射する
。組立体５０は、柱３６（図３）に取り付けられ、組立体が入射ビーム「Ｂｉ」
に隣接され反射ビーム「Ｂｒ」を受けるために配置されるように構成されている
。さらに、特に、組立体５０は、腕５４によって柱３６に保持されている基板５
２を含む。図４に最もよく示しているように、この基板は、基板に回動可能に取
り付けられかつ基板５２の底部に環状の肩部５８を形成するために皿穴形状にな
っている大きな中央の開口５６を有する内環５７を含む。

【００２９】 検知器の構成要素は、小型に統合され、平坦な前面側６２を有するハウジング
６０に包含されている。ハウジングの残りの側面は、基板５２の中央の開口５６
の曲率と一致するように曲線状に曲げられている。さらに、ハウジング６０のこ
の部分は、ハウジングの曲線状の側面が基板５２に適合し基板に不動に固定され
るステップ部分６４を含む。

【００３０】 副ハウジング７０は検知器の構成要素のハウジング６０の内部の平坦側６２に
対して固定されている。副ハウジング７０は、底部に形成された開口７２を有す
る全体として円筒形の部材である。開口７２のちょうど上方に、偏光方向がＰＥ
Ｍ２４の偏光方向と平行な０度であるように配置されている小型のグラン・テイ
ラー型分析器７４が存在している。

【００３１】 分析器７４の上方に、偏光されたレーザー光の通過を許すが不必要な室内光が
検知器７６に到達することを妨げる狭帯域干渉フィルター７７が積み重ねられて
いる。検知器は、好ましくは、フィルター上方に積み重ねられるフォトダイオー
ドである。フォトダイオード検知器７６は好適な検知機構であり、受けたレーザ
ー光の時変強度を表す電流信号を出力として発生させる。この組立体５０に関し
て、レーザー光は、試料２６を通って伝播するビームの反射された部分「Ｂｒ」
であるビーム「Ｂ２」の光である。

【００３２】 フォトダイオード出力は、ハウジング６０内に取り付けられている関係するプ
リント回路基板７８上に支持されているプレ増幅器に配達される。プレ増幅器７
５（図２）は、低インピーダンス強度信号Ｖ_ACおよび検知器信号の時間平均を表
すＤＣ強度信号Ｖ_DCの形をとって位相感知装置（好ましくはロック・イン増幅器
８０）に出力を供給する。

【００３３】 ここで、ビーム「Ｂｉ」の非反射部分「Ｂ１」が指向される検知器組立体３２
（図３）は、２つの点を除いて、前記の組立体５０と同じ構造であることは注目
すべきである。図３に示すように、検知器組立体３２は、検知器組立体５０の方
向に対して相対的に全体として逆の方向で柱３６に取り付けられている。さらに
、その組立体３２の分析器４２は、偏光方向が検知器組立体５０の分析器７４の
偏光方向に対して斜めであるように配置されている。具体的には、分析器４２は
−４５度の偏光方向を有して配置されている。好適な分析器の位置は、前記の内
環５７によって検知器組立体を回動させることによって確定される。

【００３４】 検知器組立体３２のフォトダイオードは、受けたレーザー光の時変強度を表す
電流信号を出力として発生させる。この組立体３２に関して、レーザー光は、試
料２６を通って伝播するビーム「Ｂｉ」の非反射部分であるビーム「Ｂ１」の光
である。

【００３５】 検知器組立体３２のフォトダイオード出力は、低インピーダンス強度信号Ｖ_AC および検知器信号の時間平均を表すＤＣ強度信号Ｖ_DCの形をとってロック・イン
増幅器８０（図２）に出力を供給するプレ増幅器７９に配達される。

【００３６】 要約すると、ロック・イン増幅器８０は２つの入力経路が設けられている。す
なわち、検知器組立体３２の出力に対応する経路１および検知器組立体５０の出
力に対応する経路２である。−４５度分析器４２の配置の理由のために、経路１
についてロック・イン増幅器が受けた強度の情報は、試料２６によってもたらさ
れたリターダンスの０度または９０度の成分に関係する。０度分析器７４の配置
の結果として、ロック・イン増幅器８０が経路２について受けた強度の情報は、
試料によってもたらされたリターダンスの４５度および−４５度の成分に関係す
る。以下に説明するように、この情報は、試料（または試料の一位置）の速い軸
の方向はもちろん試料（または試料の一位置）にもたらされた総体的なリターダ
ンスの大きさの無曖昧な決定をもたらすアルゴリズムに結合される。

【００３７】 ロック・イン増幅器８０は、マサチューセッツ州ウェルズレイ（Wellesley） のイー・ジー・アンド・ジー・インク（EG&G Inc）社製のモデル・ナンバー7265
のようなものとすることができる。ロック・イン増幅器は、その参照信号８２と
して、ＰＥＭ２４の光学素子２５を駆動する変換器２９にＰＥＭ制御器８４によ
って適用される発振周波数を受け取る。ロック・イン増幅器８０は、ＲＳ２３２
シリアル・インターフェースによってデジタル・コンピュータ９０で通信する。

【００３８】 試料の複数の位置を走査する間に行われるような、リターダンスの特別な測定
のために、コンピュータ９０は経路１の値を得る。コンピュータは次に経路２の
値を得る。検知器に示される経路１および２の強度信号は、以下のように導かれ
る。

【００３９】

【数１】

【００４０】 ここで、ΔはＰＥＭの時変位相リターデーションであり、δは試料のリターダ
ンスの大きさであり、ρは試料のリターダンスの速い軸の方位角である。導出に
おいて用いられる線形複屈折標本（δ、ρ）のためのミュラー行列は以下のよう
になる。

【００４１】

【数２】

【００４２】 式（１）において、ｓｉｎΔ（Δ＝Δ₀ｓｉｎωｔ、ここで、ωはＰＥＭの変 調周波数、Δ₀はＰＥＭの最大ピーク・リターダンスである）は、第１種のベッ セル関数で展開される。すなわち、以下のようになる。

【００４３】

【数３】

【００４４】 ここで、ｋは０または正の整数であり、Ｊ_2k+1は第（２ｋ＋１）次のベッセル
関数である。同様に、ｃｏｓΔは偶数高調波のベッセル関数で展開すことができ
る。すなわち、以下のようになる。

【００４５】

【数４】

【００４６】 ここで、Ｊ₀は、０次のベッセル関数であり、Ｊ_2kは第（２ｋ）次のベッセル 関数である。

【００４７】 式（１）ないし式（３）からわかるように、ＰＥＭの第１高調波での信号を用
いてリターダンスの大きさおよび角度方向を決定することは好ましい。ＰＥＭの
第２高調波で線形複屈折を測定するための有用な信号は、ｓｉｎδより非常に小
さいｓｉｎ²（δ／２）によって修正される。検知器に示される１Ｆ電子信号は 式（４）で表現される。すなわち、以下のようになる。

【００４８】

【数５】

【００４９】 前記のように、１Ｆ信号は、ＰＥＭの第１高調波で参照されるロック・イン増
幅器８０を用いて決定される。ロック・イン増幅器は、１Ｆとは異なるすべての
高調波からの寄与を遮断する。２つの経路のためのロック・イン増幅器８０から
の出力は、以下のようになる。

【００５０】

【数６】

【００５１】 低レベルの線形複屈折のためのｓｉｎδ≒δの近似を用いる。大きさの代わり
に、ロック・イン増幅器が信号の二乗平均を測定するという事実から√２が結果
として生じる。

【００５２】 ＰＥＭの第１高調波とは異なる周波数で発現したすべての項は式（５）を得る
ことにおいて無視される。１ＦのＶ_AC信号を得るための式（５）の妥当性は、δ
が小さいときｓｉｎ²（δ／２）≒０であるという近似からさらに保証される。 このことは、たとえば２０ｎｍより小さい低レベル・リターダンスに適用される
。

【００５３】 光源の強度変動または吸収、反射損失もしくは拡散による伝達における変化の
影響を除去するために、１ＦのＶ_AC信号のＶ_DC信号に対する比が用いられる。（
選択的に、ＤＣ信号を単一に動的正規化するような同様の方法を用いることがで
きる。）式（１）におけるｃｏｓΔ項の除外は、高品質なロック・イン増幅器を
用いた１ＦのＶ_AC信号の決定に対して最小限の影響を有するものであるが、経路
１のＶ_DC信号に大いに影響を及ぼす可能性がある。式（１）における項ｃｏｓ² （δ／２）ｃｏｓΔは、小文字δに対してｃｏｓΔにほぼ等しい。式（３）から
わかるように、ｃｏｓΔは、「ＤＣ」項であるＪ₀（Δ₀）に依存する。結果とし
て、このＤＣ項は、式（７）において補正される。

【００５４】

【数７】

【００５５】 ここで、Ｒ_chlとＲ_ch2とは、２つの経路から実験的に決定される量である。

【００５６】 経路１におけるｃｏｓΔ項によって生じた「ＤＣ」項を補正するために、Ｊ₀ （Δ₀）＝０（Δ₀＝２．４０５ラジアンまたは０．３８３波長のとき）であるよ
うに、ＰＥＭリターデーションを適切に設定する。このＰＥＭの設定で、１Ｆ信
号を生じさせるためのＰＥＭの効率はその最大の約９０％である。

【００５７】 最終的に、線形複屈折の大きさおよび角度方向は、以下のように、式（８）に
表される。

【００５８】

【数８】

【００５９】 式（８）は、コンピュータ９０で作動するプログラムにおいて機械語に翻訳さ
れ、試料の選択された点でのリターダンスの大きさおよび角度方向を決定するこ
とに用いられる。

【００６０】 式（８）は、小さな線形複屈折のために具体的に展開される。式（８）を導出
する際に用いられたｓｉｎδ≒δの近似は、波長が６３２．８ｎｍであるときδ
＝２０ｎｍに対して〜１％の誤差を有する。いかなる大きなリターデーションに
対して、ｓｉｎδは、δの代わりに用いられる。

【００６１】 前記したように、リターダンスの最も良い測定結果は、本装置の光学構成要素
に存在する残余の複屈折を最小限にするとき達成される。この最後に、本装置は
、ＰＥＭ２４（図５）を用いる。ハウジング２７（図５の破線で示されている）
内でＰＥＭの光学素子２５を支持することに帰因するような残余の複屈折を除去
するために特に構成されている。棒形状の光学素子は、各端部で変換器２９に結
合されている。各変換器２９は支持部材２３によってＰＥＭのハウジング２７に
取り付けられており、光学素子は、ＰＥＭハウジング２７に発振光学素子２５を
直接的に取り付けることに帰因するいかなる残余の複屈折から自由であるように
実質的に懸架されている。

【００６２】 装置の構成要素の残余の複屈折を除去するための前記のような試みにかかわら
ず、残余の複屈折の少なくとも数レベルの存在は避けられない。本装置において
、高精度な結果は、装置に存在する残余の複屈折を説明するために式（８）の結
果を補正することによって得られ、残余は装置のオフセットとして参照すること
ができる。実際において、光弾性変調器の光学素子およびビーム分割ミラー基板
に存在する残余の複屈折は、結果としての測定に誤差をもたらす可能性がある。
そのような誤差は、試料が置かれていない状態で装置を最初に作動させることに
よって測定できる。誤差の補正は、各経路に対する誤差の値を減じることによっ
て行われる。

【００６３】 装置のオフセットは、試料が置かれていない状態で測定を行うことによって得
られる。両経路１および２からの結果はそれぞれ０度および４５度での装置のオ
フセットである。

【００６４】

【数９】

【００６５】 ここで、上付きの「⁰」は試料がないことを示す。項ρ＝０を生む式は経路１ に対応する（−４５度分析器４２）。ρ＝π／４を生む式は経路２に対応する（
０度分析器７４）。装置のオフセットは試料が測定されたとき両経路のために補
正される。経路１および２のための装置のオフセットは、固定された機器構成で
一定である（測定誤差の範囲内で）。装置の構成要素または周囲の圧力もしくは
温度にいかなる変化もなければ、装置は校正された状態を持続する。

【００６６】 原理において、この手順は装置の自己校正の方法を提供する。しかしながら、
本装置の試料測定を、他の方法を用いて得られた測定と比較することは賢明であ
る。

【００６７】 そのような校正試料は、複合ゼロ次波長板によって提供される。複合波長板は
、相互間で非常に小さなリターダンスの相違（たとえば０．０３波長未満）を有
するように選択された２つの複数次波長板（例えばクォーツ）または２つのゼロ
次波長板（例えばマイカ）を含む。それらは、校正で用いるための必要とされる
低レベル・リターダンスの複合ゼロ次波長板を作成するために一方のリターダン
スが他方から減じられるように、直角な軸を有して結合される。そのような構成
は、リターダンスの低温度係数を有して表面にわたり均一のリターダンスを提供
する。

【００６８】 本装置の構成要素が正しく設定されたとき、試料によってもたらされる実測の
リターダンスの大きさは、試料の角度方向と独立である。この角度独立性は次の
場合には失われる。すなわち、（１）偏光子２２および分析器４２、７４の偏光
方向が精密に確定されていない場合、および、（２）ＰＥＭの最大ピーク・リタ
ーダンスが精密に校正されていない場合である。以下に続くことは、今述べた、
可能性のある「角度依存性」の誤差の２つの原因を除去するための正しい方法の
記載である。

【００６９】 偏光子２２および分析器４２、７４の偏光方向の精密な確定の点について、偏
光子２２に適用される補正方法は、以下のステップを含む。

【００７０】 １．ＰＥＭ作動によって、偏光子２２および経路１分析器／検知器組立体３２
をそれぞれ４５度および−４５度にほぼ方向付ける。

【００７１】 ２．経路１から２Ｆ（１００ｋＨｚ）ロック・イン増幅器信号を監視する間、
偏光子２２を適切な増量で回転させる。２Ｆ信号が「０」に達したとき（実際に
は、ロック・イン増幅器の可能な最も高い感度での雑音レベル）、偏光子の回転
体の角度を精密に読む。

【００７２】 ３．偏光子２２を、偏光子の正しい位置である精密に４５度の位置へ回転させ
る。

【００７３】 ４．偏光子２２の位置がいったん正しく確定されたら、ＰＥＭを停止させ、経
路１からのロック・イン増幅器のＶ_DC信号を監視しながら、分析器／検知器組立
体３２を回転させる。最小のＶ_DC信号に達したとき、分析器／検知器組立体３２
の位置は正しく設定される。

【００７４】 ５．偏光子２２の位置がいったん正しく確定されたら、経路２からのロック・
イン増幅器の２Ｆ（１００ｋＨｚ）信号を監視しながら、分析器／検知器組立体
５０を回転させる。この２Ｆ信号が「０」（実際には、ロック・イン増幅器の可
能な最も高い感度での雑音レベル）に達したとき、分析器／検知器組立体５０の
位置は正しく設定される。

【００７５】 ＰＥＭの校正の点について、以下の方法が用いられる。

【００７６】 １．偏光子２２が＋４５度であるとき、経路１分析器／検知器組立体３２を−
４５度に設定する。

【００７７】 ２．ＰＥＭリターダンスがＰＥＭの所定のピーク・リターダンスの例えば±１
０％の付近で変化する間、精密な電圧計でＶ_DC信号を記録する。

【００７８】 ３．経路１分析器／検知器組立体３２を＋４５度に設定する。

【００７９】 ４．ＰＥＭリターダンスが所定の付近で変化する間、精密な電圧計でＶ_DC信号
を記録する。

【００８０】 ５．所定のピーク・リターダンスの周りのＰＥＭリターデーションに対して２
つのＶ_DC曲線をプロットする。２つの曲線の交点はＪ₀＝０のリターダンスであ る。

【００８１】 ６．ステップ５の交点値でＰＥＭリターダンスの値を設定する。

【００８２】 前記のように、試料ステージ２８の運動制御器は試料２６を直交軸（Ｘ、Ｙ）
に関して増加的に移動させるための従来からの方法で制御され、それによって、
試料の領域にわたって複数の測定を容易にする。これらの測定の空間分解能は、
要求される分解能が試料に当たるビームの断面より細くならないように設けられ
、所望に（例えば３．０ｍｍ）確定されることができる。この点に関して、もし
必要ならば、光源２０と偏光子２２との間の図１に示す線９６として示されてい
るような適切な焦点距離を有する凸レンズの精密な配置によって、レーザー・ビ
ームの断面領域または「スポット・サイズ」は最小となる。例えば、レンズは偏
光子２２の上部に可動に取り付けられている。レンズ９６は、例えば０．１ｍｍ
（および対応する空間分解能）の非常に小さなスポット・サイズが特別な試料の
ために設計された例において配される。

【００８３】 数例において、レーザー源によって与えられるスポット・サイズを拡大するこ
とが望ましい。この最後に、通常のビーム拡大器によって与えられるようなレン
ズまたはレンズ装置は、レーザー２０と偏光子２２との間の装置に導入されるこ
とができる。

【００８４】 測定されたリターダンスの値は多くの方法で扱われる。好適な実施例において
、試料の複数の走査から収集されたデータは、データ・ファイルに蓄積され、コ
ンピュータ・ディスプレイ９２上にプロットとして表示される。プロット１００
のようなものは図６に示されている。プロットにおける格子状セルの各セル１０
２は、試料の個々の位置を示す。リターダンスの大きさは、カラーコーディング
によって描写される。ここで、セルの異なる濃淡は、異なる色を示す。図６にお
いて、明瞭のために数個の異なる色とセルのみを表示している。しかしながら、
多くのセルが表示可能であることがわかる。ディスプレイ上の凡例１０４は、色
を、セル１０２に関係する特定の測定が起こるリターダンスの値の所定の範囲に
関係づける（色の濃淡は凡例から省略した）。各セル１０２に配置された線１０
６は、各セルの中央を越えて伸び、各試料位置で試料の速い軸の方向の最大物理
的範囲（−９０度から＋９０度まで）の無曖昧な視覚的表示を表している。この
ように、速い軸の方向およびリターダンスの大きさの測定は各位置のために同時
的かつ図表的に表示される。完全で図表的な表示を用いて、無経験な操作の使用
者は、表示されたデータを分析することにおける誤差を作る可能性が少ない。

【００８５】 好適な実施例において、前記のリターダンスの測定は、セルの情報が計算され
るとすぐに各セルのために表示される。この即時の表示方法の結果として、操作
者は、試料のすべてのセルのリターダンスの値が計算されるまで待つ必要を有す
ることなく、各セルのリターダンスの値を観察する。このことは、例えばもし試
料のいかなる部分の複屈折の値が確定された閾値を越えたとき操作者が試料を拒
絶する義務があるような例において、情報量を最大にするための利点である。

【００８６】 また、図６にはリターデーションの大きさの共通測定範囲に追従する等高線の
例として位置された等高線が示されている。簡単のために、複数の等高線の１つ
のみが図６の低解像度プロットのために示されている。

【００８７】 測定されたデータを表示するためのいかなる多くの変更は満足させることが理
解される。また、図６から、試料がどのように走査されるかのパラメーター（走
査境界、格子空間試料の厚み、その他）を設定する手段と結果として得られたデ
ータとが都合よく対話処理で表示されることは明らかである。

【００８８】 本発明の装置によって提供されたリターダンスの大きさおよび方向の情報を図
表的に表示する他の方法は、三次元等高線図の対応する領域によって試料の複数
の位置のためのリターダンスの大きさを示すことである。関係する方向は、三次
元等高線図の平面投影画の対応するセルにおける線または色として同時に示され
る。

【００８９】 図７は、１つの側が反射可能に被覆されている試料１２４のリターダンスの大
きさおよび方向を測定するための配置を示している。異なる試料１２４と光学構
成要素の関係する位置とを除いて、図７の装置の構成要素は、図１の実施例のそ
れと一致し、以下に記載するようにいくつかの例外を有して同じ参照番号を付す
。

【００９０】 試料１２４（図７）は、クロムの非常に薄い層のような反射面が１つの側に被
覆されている。試料は、底部に被覆面を有する試料ステージに置かれている。ビ
ーム「Ｂ」は試料１２４を通るように指向されている。ビームが被覆面から、こ
の実施例においては図示されているように試料ステージ２８の上方に支持されて
いるビーム分割ミラー３０および検知器組立体３２の方へ反射するように、試料
ステージはわずかに傾斜させられている（または、選択的に、試料は平面ステー
ジに取り付けられた傾斜保持部材に固定されている）。好ましくは、これらの構
成要素は、試料１２４から反射されたビーム「Ｂｉ」がＰＥＭ２４から伝播する
ビーム「Ｂ」からわずかに遠ざかってのみの角度「Ｒ」で曲げられている（例え
ば２度から５度）。試料によって反射されたビーム（ミラー３０によって反射さ
れたビーム「Ｂｒ」から区別されるように）は、処理する観点から、図１の実施
例のミラー３０に衝突するビーム「Ｂｉ」に対応する。このように、２つのビー
ム部分「Ｂ１」および「Ｂ２」の処理は、両実施例にとって同じである。もちろ
ん、試料１２４の測定されたリターダンスの大きさは、試料を通るビームの２つ
の経路を必ず含む。それゆえ、測定された値は２つに分割される。

【００９１】 前記のように、試料１２４から反射されたビーム「Ｂｉ」がＰＥＭ２４から伝
播するビーム「Ｂ」からわずかに遠ざかってのみの角度「Ｒ」で曲げられる（例
えば２度から５度）ように、ビーム分割ミラー３０をビーム「Ｂ」に実際に接近
させて配置することは望ましい。この終わりに、ハウジング３１は、ミラーの平
坦端部がビーム「Ｂ」に隣接して配置されるように半円形状のミラーを支持する
ために変更することができる。それゆえ、ビーム「Ｂｉ」は、前記端部このゆえ
所望のビーム「Ｂ」に非常に近いミラーの位置に反射されることができる。

【００９２】 本発明を好適な実施例に関して述べたが、前記の教示や精神から逸脱すること
なく変更を行えることは、当該技術分野における通常の知識を有する者は理解す
ることができる。例えば、データがコンピュータに供給される速度を増加させる
ために第２のロック・イン増幅器を用いる（各経路ごとに）ことができる。

【００９３】 また、通常の知識を有する者は、単一の検知器を用いた連続的な測定は、異な
る２つの偏光方向の強度信号を測定し、これにより連続処理のための情報の２つ
の経路を形成するために用いられることが理解できる。例えば、単一の検知器組
立体を用いることができる。このことは、第２の検知器組立体およびビーム分割
ミラーを用いることなく行える。しかしながら、そのような設定は、分析器を回
転させる、または、無曖昧なリターダンスの測定を保証し、速い軸の方向を確か
めるために異なる方向の２つの偏光子の間で切り替えをする必要がある。選択的
に、試料と分析器とは４５度回転させられる。

【００９４】 本発明の好適な実施例は、安定した純粋な単色の光源のためにヘリウム・ネオ
ン・レーザーを用いる。ヘリウム・ネオン・レーザーは、６３２．８ｎｍの波長
を有するビームを発生する。いくつかの事例においては、他の周波数を有する光
源を用いたリターダンスの大きさの測定が望ましい。

【００９５】 本発明の他の点として、ヘリウム・ネオン・レーザーによって測定されるよう
な試料のリターダンスの大きさの測定を、他の光源波長で試料に発生するリター
ダンスの値に変換するために、補正係数を展開および適用することができる。こ
の点に関して、図８は、溶融石英型の光学素子を用いるＰＥＭのために異なる光
源波長に対してプロットされた所定のピーク・リターデーション（半波のような
）を発生させることを必要とする発振振幅を示している実験結果をグラフにした
ものである。

【００９６】 図９は、１つの波長（ヘリウム・ネオン・レーザーの６３２．８ｎｍ波長のよ
うな）で測定された試料のリターダンスの大きさの値に適用される補正係数を示
す曲線を発生させるために、１５７ｎｍのＵＶ波長のような他の波長で試料に発
生するリターダンスの大きさに到達する（直接にまたは外挿法によって）ために
、図８のプロットを部分的に用いて展開させられている。図９のデータは、同様
の溶融石英材料を用いるための溶融石英の光学素子を有するＰＥＭを含む実験か
ら生成された。

【００９７】 溶融石英のための前記の波長補正の方法は他の材料にも適用できる。例えば、
図１０は、フッ化カルシウムの光学素子を用いるＰＥＭのための異なる光源波長
に対してプロットされた所定のピーク・リターデーション（半波長のような）を
ＰＥＭによって発生させることを要求された発振振幅を示している測定結果を図
表に作る。

【００９８】 図１１は、１つの波長（ヘリウム・ネオン・レーザーの６３３ｎｍの波長のよ
うな）で測定されたリターダンスの大きさに適用される補正係数を表す曲線を描
き、１５７ｎｍのＵＶ波長のような他の波長で試料に発生するリターダンスの大
きさに到達する（直接にまたは外挿法によって）ために、図１０のプロットを用
いて示されている。図１１のデータは、同様のフッ化カルシウム材料の試料を用
いるためのフッ化カルシウム型の光学素子を有するＰＥＭを含む実験から生成さ
れた。

【００９９】 他の波長でのリターデーションの大きさと関係するように光源の波長で測定さ
れたリターデーションの大きさを補正するための他の方法として、係数が波長の
関数として知られている試験済の試料材料の応力光学係数を参照できる。２つの
異なる波長で測定されたリターダンスの大きさは、材料の応力光学係数に直接に
比例する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 光学構成要素の好適な配置を示す本発明の装置の好適な実施例のブロック図。

【図２】 本発明の処理構成要素のブロック図。

【図３】 本装置の検知およびビーム分割の構成要素の斜視図。

【図４】 本装置の検知器組立体の一例の断面図。

【図５】 本発明の装置に統合された光弾性変調器の主要な構成要素の斜視図。

【図６】 本発明の装置によって与えられた図表的な表示を描写する図。

【図７】 本発明の選択的な実施例のブロック図。

【図８】 好適な型の光学素子を用いる偏光変調器のための、所定のリターダンスに関し
て多くの光源波長に対する偏光変調器の発振振幅をプロットしたグラフ。

【図９】 １つの光源波長で測定された光学材料試料のリターダンス値を他の光源波長で
前記試料に発生するリターダンス値に変換するのに適用される補正係数を示す、
図８に示されたデータに部分的に基づいたグラフ。

【図１０】 選択可能な型の光学素子を用いる偏光変調器のための、多くの光源波長に対す
る偏光変調器の発振振幅を所定のリターダンスに対してプロットしたグラフ。

【図１１】 １つの光源波長で測定された光学材料試料のリターダンス値を他の光源波長で
前記試料に発生するリターダンス値に変換するのに適用される補正係数を示して
いる、図９と同様の他のグラフ。

【符号の説明】

２２ 偏光子 ２４ 光弾性変調器 ２５ 光学素子 ２６ 試料 ２８ 試料ステージ ２９ クォーツ変換器 ３０ ビーム分割ミラー ３１、６０ ハウジング ３２、５０ 検知器組立体 ３６ 垂直柱 ４０ 保持環 ４２、７４ 分析器 ３５ 反射面 ５２ 基板 ５８ 肩部 ５６、７２ 開口 ５７ 内環 ７０ 副ハウジング ７７ 狭帯域干渉フィルター ７６ 検知器 ７８ プリント回路基板 ７５、７９ プレ増幅器 ８０ ロック・イン増幅器 ８４ 制御器 ８２ 参照信号 ９０ コンピュータ ９６ レンズ ９２ ディスプレイ １００ プロット １０２ セル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ６０／０９９，９３１ (32)優先日 平成10年９月11日(1998．9．11) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (31)優先権主張番号 ６０／１２０．２２４ (32)優先日 平成11年２月15日(1999．2．15) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＣＡ，Ｊ Ｐ，ＮＺ，ＵＳ (72)発明者 オークバーグ、 セオドア シー アメリカ合衆国 97116 オレゴン州 フ ォレスト グローブ メドウビュー ロー ド 504 (72)発明者 カドレック、 ポール アメリカ合衆国 97116 オレゴン州 フ ォレスト グローブ トゥエンティーセカ ンド アヴェニュー 3726 Ｆターム(参考） 2G059 AA02 BB08 EE02 EE04 EE05 GG01 GG04 HH02 HH06 JJ02 JJ03 JJ11 JJ13 JJ18 JJ19 JJ20 JJ22 KK01 KK02 KK03 LL04 MM01 MM14 NN01 PP04

Claims (33)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料の複屈折特性を測定する方法であって、 光の偏光を変調するステップと、 変調された光のビームを入射経路に沿って前記試料を通して指向させるステッ
   プと、 前記ビームの第１の部分が反射されないように、前記入射経路に位置する反射
   面から前記ビームの第２の部分を反射させるステップと、 前記ビームの第１の部分及び前記ビームの第２の部分を分析するステップと、 前記ビームの反射された第２の部分の強度を決定するステップと、 前記ビームの第１の部分の強度を決定するステップと、 前記決定された両強度に基いて前記試料の複屈折特性を計算するステップとを
   含む、複屈折特性測定方法。
2. 【請求項２】 前記計算ステップは前記試料によってもたらされたリターダ
   ンスの大きさを計算することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記計算ステップは前記試料の複屈折軸の相対的な角度方向
   を計算することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 【請求項４】 前記分析ステップは、前記ビームの第１の部分を第１の偏光
   方向を有する第１の分析器を通して指向させること、前記ビームの第２の部分を
   前記第１の分析器の偏光方向と異なるように方向付けられた第２の偏光方向を有
   する第２の分析器を通して指向させることを含む、請求項１に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記変調ステップ、前記指向ステップ、前記反射ステップお
   よび前記決定ステップを遂行するために光学装置の構成要素を設けるステップを
   含み、前記計算ステップは、前記試料とは別の前記構成要素に存在する残余の複
   屈折を補償するためにリターダンスの大きさを計算するステップを含む、請求項
   ２に記載の方法。
6. 【請求項６】 前記計算ステップは既知の複屈折特性を有する試料を用いて
   前記光学装置を校正するステップを含む、請求項１に記載の方法。
7. 【請求項７】 前記校正ステップは複合ゼロ次波長板を用いることを含む、
   請求項６に記載の方法。
8. 【請求項８】 前記指向ステップは、前記ビームを第１の経路に沿って前記
   試料を通過させ、前記ビームを前記入射経路に沿って前記試料を通して後方側へ
   反射させるステップに先立って行われる、請求項１に記載の方法。
9. 【請求項９】 前記ビームを前記入射経路に沿って試料を通して後方側へ反
   射させるために、反射可能に被覆された側を有する試料を設けるステップを含む
   、請求項８に記載の方法。
10. 【請求項１０】 前記入射経路に位置する前記反射面を形成する半円形状の
    ビーム分割ミラーを設けるステップを含む、請求項８に記載の方法。
11. 【請求項１１】 前記ビームが前記試料の複数の位置を通って指向されるよ
    うに前記試料を周期的に運動させるステップと、各位置の前記試料のリターダン
    スの大きさおよび前記試料の複屈折軸の角度方向を計算するステップとを含む、
    請求項１に記載の方法。
12. 【請求項１２】 実質的にすべての位置のリターダンスの大きさおよび角度
    方向を同時的に図表的に表示するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 【請求項１３】 前記試料の各位置に対応するリターダンスの大きさおよび
    角度方向の一方または両方の値をその値が計算されたとき同時的に図表的に表示
    するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
14. 【請求項１４】 前記ビームの第２の部分の強度を決定するステップは、強
    度検知器を前記入射経路に隣接させかつ前記ビームの第２の部分の経路で支持す
    ることを含み、これにより前記入射経路と前記ビームの第２の部分の経路との間
    の角度を最小にする、請求項１に記載の方法。
15. 【請求項１５】 前記変調ステップは光弾性変調器を用いることを含む、請
    求項１に記載の方法。
16. 【請求項１６】 試料の複屈折特性を測定する装置であって、 光源と、 前記光源の光を偏光する手段と、 前記光の偏光を変調する変調手段と、 前記変調された光のビームが入射経路に沿って前記試料を通るように配置され
    た試料と、 前記試料を通る前記ビームの第１の部分は前記入射経路に沿って通過させ、前
    記ビームの第２の部分を反射経路に沿って反射させるために配置されたビーム分
    割要素と、 前記入射経路に配置され、偏光方向を有する第１の分析器と、 前記反射経路に配置され、前記第１の分析器の偏光方向と異なる偏光方向を有
    する第２の分析器と、 前記ビームの第１および第２の部分の強度を検知し、該両検知強度に基いて前
    記試料の複屈折特性を計算するために適した情報を与える検知手段とを含む、複
    屈折特性測定装置。
17. 【請求項１７】 前記ビーム分割要素は前記入射経路と垂直であるように配
    置された反射面を有する、請求項１６に記載の装置。
18. 【請求項１８】 前記反射面は前記入射経路と前記反射経路との間の角度が
    ５度未満であるように配置されている、請求項１６に記載の装置。
19. 【請求項１９】 前記光源の光の偏光を変調する手段は光弾性変調器を含む
    、請求項１６に記載の装置。
20. 【請求項２０】 前記ビーム分割要素を取り付け、該要素の残余の複屈折を
    最小にする変調手段を取り付ける手段を含む、請求項１９に記載の装置。
21. 【請求項２１】 前記試料に指向された前記ビームは断面領域を有し、前記
    装置は前記ビームが前記試料を通って運動する前に前記ビームの断面領域を変化
    させるために前記光源と前記試料との間に配置されたレンズ部材を含む、請求項
    １６に記載の装置。
22. 【請求項２２】 前記試料は、反射可能に被覆され、前記変調された光のビ
    ームが前記試料を通り前記入射経路に沿って前記試料を通って後方側へ反射する
    ように配置されている、請求項１６に記載の装置。
23. 【請求項２３】 前記ビーム分割要素は、前記変調手段から前記試料へ通る
    前記変調された光のビームに隣接して配置された平坦な端部を有する半円形状で
    ある、請求項２２に記載の装置。
24. 【請求項２４】 複屈折とこれに関係する複屈折軸とを有する透明な試料に
    よってもたらされるリターダンスを測定する方法であって、 第１の角度で方向付けられた複屈折軸を有する偏光変調器で偏光を変調するス
    テップと、 前記変調された偏光のビームにリターダンスをもたらすために、前記ビームを
    入射経路に沿って、前記試料を通して指向させるステップと、 前記ビームを異なる偏光方向を有する２つの部分に分離させるステップと、 前記試料によって前記２つのビーム部分の一方にもたらされるリターダンスの
    成分を測定するステップと、 前記試料によって前記２つのビーム部分の他方にもたらされるリターダンスの
    成分を測定するステップと、 前記試料によってもたらされるリターダンスの大きさの値に到達するために先
    行の測定ステップの結果を結合するステップとを含む、複屈折特性測定方法。
25. 【請求項２５】 前記試料の複屈折軸の方向を決定するために前記先行する
    測定ステップの結果を結合することを含む、請求項２４に記載の方法。
26. 【請求項２６】 前記ビームが前記試料を通った後であるが前記測定ステッ
    プの少なくとも１つを行う前に前記ビームの少なくとも部分を反射させるステッ
    プを含む、請求項２４に記載の方法。
27. 【請求項２７】 前記光源はヘリウム・ネオン・レーザーである、請求項１
    ６に記載の装置。
28. 【請求項２８】 前記検知手段は位相感知装置を含む、請求項１６に記載の
    装置。
29. 【請求項２９】 前記位相感知装置はロック・イン増幅器である、請求項２
    ８に記載の装置。
30. 【請求項３０】 統合分析器、フィルターおよび検知器を含む検知器組立体
    を含む、請求項１６に記載の装置。
31. 【請求項３１】 前記計算ステップは前記ビーム強度の変動の影響を除去す
    るステップを含む、請求項１に記載の方法。
32. 【請求項３２】 前記ビームの第１および第２の部分のビーム強度の変動の
    影響を除去する手段を含む、請求項１６に記載の装置。
33. 【請求項３３】 前記計算ステップは前記複屈折特性を光の所定の波長に対
    応するように補正することを含む、請求項１に記載の方法。