JP2005515414A

JP2005515414A - 干渉測定光学装置

Info

Publication number: JP2005515414A
Application number: JP2003560470A
Authority: JP
Inventors: ティロヴァイツェル
Original assignee: サイネックスアーゲー
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2005-05-26
Also published as: DE10202120A1; WO2003060422A2; WO2003060422A3; US20050117169A1; EP1468244A2; AU2003202583A8; US7161683B2; AU2003202583A1

Abstract

本発明は、光源、位相シフトを発生させる手段、干渉信号の強度を計測する手段、干渉信号の強度を選択的に計測する手段、干渉信号の強度の位相角及び相対位相シフトのうち少なくとも１つを測定する手段を備え、スペクトル分散を利用する干渉測定光学装置に関する。本発明によれば、干渉計のアームの少なくとも１つにおいて偏光方向の異なる成分間の位相シフトを発生させる手段は、回折格子を備えている。さらに、偏光状態に依存する干渉信号の強度を選択的に計測する手段は、上記回折格子の座標系に基づいて、干渉信号のＴＥ成分とＴＭ成分の各強度を測定可能になっている。

Description

本発明は、回折格子を備えた分散型干渉測定光学装置、並びにその装置の、検出光の２つの偏光成分の相対位相に対する特性を利用した測定方法に関する。

本発明は、さらに、
光学回折格子の溝深さ又は空間変調ストロークを計測するため、
空間の変化又は屈折率の変化に起因する光路長の変化を計測するため、
回折格子の側方変位を計測するため、
複屈折材料により発生した、偏光状態の異なる成分間の相対位相シフトを計測するため、
光が透過した試料が発生させた偏光の回転（試料の光学活性）を測定するため、並びに
材料の複素屈折率、すなわち、干渉計のアームに導入された試料材料の吸収・屈折率又は屈折率のスペクトル変化、及び、場合によっては、偏光依存特性を分光分析により求める分光測定法のために
上記の装置及び方法を使用することを含んでいる。
（背景技術及び発明の開示）
反射作用を起こす回折格子の溝深さ、より一般的には、あらゆる態様の周期的回折構造やホログラムの変調ストロークは、使用される材料の周期的な溝の実際の形状及び複素屈折率とともに、回折効率を決定する最も重要なパラメータである。したがって、そのような素子の製造時や検査時に、溝深さを高精度で検査する必要がある。

以下の記述は、一般性を制限するものではないが、多角度で反射作用を起こす回折格子に言及している。しかしながら、それに関係することは、透過型回折格子にも位相型回折格子にも吸収型回折格子にも等しく当てはまり、したがって、音響光学変調器や体積ホログラム等の等価な回折構造にも当てはまる。

図１は、正弦波回折格子（Ｇ）の表面と、この格子の法線に対してそれぞれ角度（θ_I、θ₀、θ_-1）を有する入射平行光ビーム（Ｉ）、反射光ビーム（０）及び回折光ビーム（−１）の方向を示す。指数「０」と「−１」は、それぞれ０次回折と１次回折を示す。図示の技術上都合の良い幾何学的構成では、それ以上の回折次数は生じない。図示の装置及び類似の装置、例えば、オートコリメーション配置やリトロー配置（θ_I＝θ_-1）は高いスペクトル分解能を示し、その回折効率は、より高い回折次数と関連して発生する広い角度範囲又は波長範囲にわたるいわゆるアノマリー（ウッド(Wood)のアノマリー）を全く示さない。

より高い回折次数が生じないその種の格子や光学装置に対して、いわゆる等価性理論、すなわち、角度及び波長に依存するその種の格子の回折効率が実効溝深さによってのみ決定され、溝の実際の形状とはほとんど無関係であるという理論が当てはまることは、特に興味深い（「刻線格子、ホログラフィック格子及びラメラー格子の定偏角配置における等価性(Equivalence of ruled, holographic, and lamellar gratings in constant deviation mountings)」Ｍ．ブレイドン(Breidne)及びＤ．メイストル(Maystre)著、アプライド・オプティクス(Applied Optics)１９、１８１２〜１８２１頁（１９８０）参照）。

上記等価性理論は、各周期性格子溝がフーリエ級数の形で表現され、かつ入射光間の相互作用がフーリエ級数の各成分を用いて表現される場合に容易に理解することができる。実際の格子周期は、フーリエ級数の主成分を規定するので、１次回折に寄与するが、他の成分は、より高次の回折を発生させる。幾何学的構成がより高次の回折を許容しない場合、それに対応するフーリエ級数の成分は何の役割も果たさず、その回折格子は、フーリエ級数の主成分に対応する実効光学的溝深さを有する正弦波回折格子のような振舞いをする。したがって、その種の回折格子を実効光学的溝深さによって特徴付けることができる。

図２は、導電性が非常に高い材料からなるその種の回折格子、例えば、ホログラフィーを利用して製作された金被覆回折格子の場合に予想される、回折効率の相対溝深さに対する依存性を示す。相対溝深さとは、格子の空間周期に対する実際の溝深さの比である。

溝深さに依存する回折効率は、入射光ビームの偏光の考えられる２成分に関して大きく異なっている。すなわち、ＴＥ偏光（格子線に対して平行な電界成分）は、ＴＭ偏光（格子線に対して垂直な電界成分）よりもはるかに影響されにくい。

その現象は、ＴＭ偏光とは異なり、ＴＥ偏光のみが、実際の格子外形の一部と相互に作用することができるということによって説明可能である。電子は、格子外形の上層、すなわち、外形の頂部で格子線に沿ってのみ移動可能であるからである。

図２は、相対溝深さの増加とともに、ＴＭ偏光については回折効率が急速に上昇するが、ＴＥ偏光については回折効率がわずかしか上昇しないことを示している。図示の例では、ＴＭ偏光の回折効率は、相対溝深さが約０．３２のときに最大値に達した後、「過変調」の結果として上記溝深さが約２倍のときに再び最小値にまで下降し、その後、再び別の最大値に向かう。一方、ＴＥ成分は、まだ最初の最大値にゆっくりと向かっている。

ＴＭ偏光とＴＥ偏光に対して同じ回折効率を示す回折格子又は装置は特に興味深い。例えば、分光計で使用された場合、入射光の強度を各偏光に依存することなく計測することができる。図２では、そのような格子は、ＴＭの回折効率の曲線とＴＥの回折効率の曲線とが交わる相対溝深さによって特徴付けられ、この例では、それは、約０．６６又は約０．８３の相対溝深さで示されている。

したがって、格子の実効光学的溝深さの測定は、回折格子の製造者及び利用者の両者にとって非常に関心が高い。現在、入射ビームの強度と回折又は反射ビームの強度を適切かつ精確に計測することにより、場合によって角度及び波長のうち少なくとも１つに依存する回折効率及び反射効率を測定し、実効光学的溝深さが算出されているほか、走査トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡を用いて格子の溝深さが直接計測されている。強度の違いを利用した溝深さの測定は、計測装置やその校正の精度に対する要求がそれほど厳しくない場合には、相対的に不正確である。原子間力顕微鏡や走査トンネル顕微鏡を用いた実効光学的溝深さの測定は、技術的に注文が多く、計測された「原子間力表面」や「トンネル電流表面」が光学特性測定に適した算出方法にもたらす物理数学的モデルに対して大きな労力を必要とする。

本発明は、回折格子の光学的溝深さを、光路長の変化時に生成され、それぞれ異なる偏光方向に関して検出された２つの計測信号の相対位相シフトに関連付けする干渉測定光学装置に関する。

したがって、この光学装置の変形物は、格子の既知の特性を利用した溝深さの測定にも光路長の変化の測定にも同様に利用することができる。光路長の測定は、屈折率変化の測定も可能にする。

光学装置のスペクトル選択性をさらに利用すれば、その光学装置を、光を透過させた試料の吸収係数のみならず、屈折率のスペクトル変化や、場合によっては、偏光依存性パラメータ、例えば、光学活性（偏光の回転）や屈折率の異方性（複屈折材料）なども波長に依存して計測する分光計としても使用することができる。

この場合、利用できることは、ＴＭ波とＴＥ波が、構造化された表面に対してそれぞれ異なる相互作用を行うことによってそれぞれ異なる効率で回折又は反射されるので、ＴＭ偏光ビームとＴＥ偏光ビームが回折格子の異なる溝深さと「出会う」ことのみならず、それにより、ＴＭ波とＴＥ波が回折格子を空間位置がわずかに異なっても感知できることである。回折ビーム及び反射ビームに関して、ＴＭ成分とＴＥ成分との間には、溝深さと個々の光学装置に依存する光路差が発生し、したがって、ＴＭ成分とＴＥ成分との間で位相シフトが発生する。

効率と位相シフトの正確な関係性は、マックスウェルの方程式と様々な数学的方法を用いた材料特性とに基づいて理論的に求めることができる（「最新の物理の話題：グレーティングの電磁理論(Topics in Current Physics: Electromagnetic Theory of Gratings)」Ｒ．ペティト(Petit)編、シュプリンガー出版(Springer Verlag)１９８０年参照）。

嵩の多い構造、すなわち、積層系や体積ホログラムの場合、表面反射時又は表面透過時に位相シフトが屈折率に依存する結果、正確に対応する位相シフトが生じる。

一般に、上記の関係性は、分散関係から、すなわち、それぞれ異なるスペクトル特性が、この場合ＴＭ成分とＴＥ成分を指すが、個々の反射ビーム又は回折ビームの相対位相に影響を及ぼすはずであるということから導き出すことができる。この関係性は、効率が等しい場合、すなわち、スペクトル特性が等しい場合には、相対位相シフトが消失するという逆方向の結論も示している。

そのような相対位相シフトは、ＴＭ成分とＴＥ成分を単独であるいは互いに別々に計測する方法がある場合には、干渉計構成を用いて非常に精確に測定することができる。

この場合、干渉測定光学装置の型はそれほど重要ではなく、マイケルソン型装置でもマッハ−ツェンダー型装置でもファブリ−ペロー型装置でも、それぞれ決まった光路差を有する一定の空間干渉縞の測定にも、光路長変化に対する強度の依存性の測定にも利用することができる。回折格子自体をビームスプリッタとして使用する、図６ａに示す変形例に類する干渉測定装置も非常に適している。

ＴＭ成分及びＴＥ成分に関して、干渉計内の光路差に依存し、それぞれ周期的に発生する強度の最大値と最小値を測定することが可能であり、それらは、実効光学的溝深さに依存する位相シフトを示す。この位相シフトはわずかな労力で非常に精確に測定することが可能であり、特に、位相シフトの測定は、厳密な強度や強度関係性を求めることを必要とせず、計測信号に重畳された一定のバックグランドやノイズ等の様々な障害に対して非常に頑強である。

光路長センサとして使用する干渉計として、マイケルソン干渉計が知られており、この干渉計は、複屈折素子を利用するとともに干渉信号の偏光依存計測を利用して９０度位相シフトした２つの信号を生成する。１つの手段は、干渉計の２つのアームから適切な複屈折光学素子を経て干渉状態にされたビームの逆回りの円偏光である。偏光ビームスプリッタを用いれば、光路長変化時に互いに９０度位相シフトした強度曲線を有する２つの直線偏光成分を得ることができる。

９０度以外でも十分な一定の位相シフトであれば、２つの信号を用いて移動方向を測定することも、個々の現在の位相角を数値計測することによって位置を正確に測定することも可能になる（図５ａ及び図５ｂ参照）。

そのような光学装置とは異なり、本発明にかかる例えば図６ｂの光路長測定用装置は、非常に重要な利点を示している。

図３は、まず、マイケルソン干渉計のように構成された本発明にかかる装置を示す。平行単色光ビームが、適切な絞り（Ａ）を通って、最初に非偏光ビームスプリッタ（ｎｐＢＳ）に入射する。入射ビームは、偏光されないか、あるいは約４５度に偏光される。これにより、入射ビームは、回折格子（Ｇ）の座標系に基づいて、非偏光ビームスプリッタによってそれぞれ均等に干渉計のアームに分割されたＴＥ成分とＴＭ成分を示す。干渉計の第１のアームは、ビームを反射させてビームスプリッタに返す鏡（Ｍ）で終端している。干渉計の第２のアームは、リトロー配置又はオートコリメーション配置の検査対象の回折格子（Ｇ）で終端しており、格子で回折されたビームは、ビームスプリッタに向かって反射される。上記反射ビーム又は別の角度で回折されたビームを、さらに別の光学素子によって検出してもよい。

図示の配置では、第１のアームの光路長は、光軸に沿って鏡（Ｍ）を変位可能な直線アクチュエータ（Ｌ）によって確実に変化させることができる。回折格子に向かう干渉計の第２のアームの光路長は不変であるが、実際には、回折格子の位相作用の結果、２つの偏光成分で異なっている。

干渉計の２つのアームからの部分ビームは、非偏光ビームスプリッタ（ｎｐＢＳ）によって再び重畳された後、偏光ビームスプリッタ（ｐＢＳ）に達し、そこでＴＥ成分とＴＭ成分に分割されて別々の光検出器（Ｄ１、Ｄ２）に送られる。これにより、ＴＥ成分の干渉信号（ｓｉｇ．ＴＥ）とＴＭ成分の干渉信号（ｓｉｇ．ＴＭ）の強度が互いに独立して検出される。この装置を技術的に実現する際には、さらに追加の光学部品、例えば図示のコリメータ（Ｃ）が必要になる場合もある。

光検出器の信号は、目的の位相シフトを例えば数値処理によって求める測定装置に送られる。

図４は、直線アクチュエータによってもたらされた光路差に依存する、２つの検出器の信号（ｓｉｇ．ＴＭ、ｓｉｇ．ＴＥ）の一例を示す。信号は正弦波であり、使用されている単色光の半波長に相当する周期と、回折格子の実効溝深さに依存する２つの周期性干渉信号の位相差を示している。これにより、信号の位相差は、回折格子の溝深さの測度となる。したがって、この溝深さは、たとえ強度測定値と光路長測度のどちらも厳密な値まで校正されなくても、計測データに基づいて高い精度で測定することができる。

図５ｂは、リサジュー図形、すなわちＸＹ図の形で示された２つの計測信号の一般的な例を示す。現在の位相角の測度である角度θは、振幅の異なる信号同士でも、ノイズとオフセットが存在していても、認識可能に確実に測定することができる。

図６ａは、回折格子をビームスプリッタとしても用いた位相シフト生成用の本発明にかかる光学装置の特に有利な実施形態を示す。また、この光学装置は、干渉計のアームの一方で光路長を変化させることに比べると、格子の側方変位によって、すなわち、光路長を実際に変化させることなく、位相角の連続回転を可能にする点で有利である。そのような光学装置は、コヒーレンス長の短い光源の場合に有利である。

図６ｂは、コリメータレンズと集光レンズが追加され、入口と出口の口径が規定された光学装置を示す。この特に有利な光学装置は、回折格子のスペクトル分散を利用して所定の波長を選択する。波長は、ビームが回折格子に当たる角度を適切に変化させることによって精密に設定することができる。

このことは、測定される波長が測度となることから、波長を精確に測定するためにレーザの代わりに広帯域の光源を使用する必要がある場合に特に有利である。

図７ａ及び図７ｂは、本発明にかかる光学装置を新規な分光計として使用する例を示す。まず、図７ａについて説明する。光源の非偏光平行ビームは、スリット（Ａ）を通過した後、非偏光ビームスプリッタ（ｎｐＢＳ）に到達して、２つの部分ビームが生成される。一方の部分ビームは鏡（Ｍ）を経て回折格子（Ｇ）に到達し、他方の部分ビームは試料体積物（試料）を通過した後、回折格子（Ｇ）に到達する。回折格子は、回動可能に支持されている（図参照、格子線と回転軸は図の紙面に垂直）。回折格子は、両部分ビームを回折させて元の方向に返し（リトロー配置）、各部分ビームのそれぞれの角度に依存するスペクトル成分がビームスプリッタに到達する。重畳された部分ビームは、集光レンズ（Ｃ）を経て出口スリット（Ｅ）に達した後、偏光状態敏感検出器に達する。

偏光状態敏感検出器は、図示の例では、レンズ（Ｌ）を用いて実現され、このレンズは、スリット（Ｅ）から来る光を偏光ビームスプリッタ（ｐＢＳ）を経て２つの検出器（Ｄ１，Ｄ２）上で収束させる。

この光学装置の特に興味深い変形例（図７ｂ）は、一対の鏡（Ｍ１，Ｍ２）によって、部分ビームが干渉計を通過した後に反転したスペクトル分散で重畳されるようにしている。その結果、出口スリット（Ｅ）が広い場合でも、干渉信号が高スペクトル分解能で選択される。

正弦波回折格子（Ｇ）の表面と、この格子の法線に対してそれぞれ角度（θ_I、θ₀、θ_-1）を有する入射平行光ビーム（Ｉ）、反射光ビーム（０）及び回折光ビーム（−１）の方向を示す図である。導電性が非常に高い材料からなるその種の回折格子の場合に予想される、回折効率の相対溝深さに対する依存性を示す図である。マイケルソン干渉計のように構成された本発明にかかる装置を示す図である。直線アクチュエータによってもたらされた光路差に依存する、２つの検出器の信号（ｓｉｇ．ＴＭ、ｓｉｇ．ＴＥ）の一例を示す図である。ＸＹ図の形で示された２つの計測信号の一般的な例を示す図である。リサジュー図形、すなわちＸＹ図の形で示された２つの計測信号の一般的な例を示す図である。回折格子をビームスプリッタとしても用いた位相シフト生成用の本発明にかかる光学装置の特に有利な実施形態を示す図である。コリメータレンズと集光レンズが追加され、入口と出口の口径が規定された光学装置を示す図である。本発明にかかる光学装置を新規な分光計として使用する例を示す図である。本発明にかかる光学装置を新規な分光計として使用する変形例を示す図である。

Claims

干渉計内に光を照射する光源と、
上記干渉計のアームの少なくとも１つにおいて偏光方向の異なる成分間の位相シフトを発生させる手段と、
干渉状態にされた部分ビームの相対位相及び光路長のうち少なくとも１つに依存する干渉信号の強度を計測する手段と、
偏光状態に依存する干渉信号の強度を選択的に計測する、あるいは偏光状態の異なる成分を別々に計測する手段と、
上記計測された偏光状態の異なる成分間の干渉信号の強度の位相角及び相対位相シフトのうち少なくとも１つを測定する手段を備え、
上記干渉計のアームの少なくとも１つにおいて偏光方向の異なる成分間の位相シフトを発生させる手段は、回折格子を備えており、
上記偏光状態に依存する干渉信号の強度を選択的に計測する手段は、上記回折格子の座標系に基づいて、干渉信号のＴＥ成分とＴＭ成分の各強度を測定可能になっているスペクトル分散型干渉測定光学装置。
上記回折格子自体が、光ビームスプリッタ及び部分ビーム重畳用光学素子のうち少なくとも１つとして使用されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
上記回折格子は、上記干渉計の部分ビームのうちの１つの光路上に配置されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
上記回折格子は、上記干渉計の部分ビームのうちの１つの光路上にオートコリメーション配置又はリトロー配置で配置されていることを特徴とする請求項３記載の装置。
上記光源はコリメータを備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
上記検出器配置は、入射光のスペクトル成分が選択的に検出されるように、焦点位置に開口を有する集光素子を備えていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の装置。
光ビームが上記回折格子に当たる角度、又は複数の光ビームが上記回折格子に当たる角度の少なくとも１つを変更可能な手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の装置。
上記相対位相がそれぞれ異なる場合に、上記干渉信号の強度を計測する手段は、上記回折格子を側方に変位させる手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の装置。
上記干渉状態にされた部分ビームの光路長がそれぞれ異なる場合に、上記干渉信号の強度を計測する手段は、上記部分ビームの少なくとも１つの光路の光路長を変化させる可動光学素子を備えていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の装置。
上記干渉信号の強度を計測する手段は、干渉状態にされた部分ビームの相対位相の時間依存変化及び光路長のうち少なくとも１つの変化を可能にするものであり、上記強度信号の計測は、時間に依存しない適切な検出器によって行われることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の装置。
上記干渉状態にされた部分ビームの光路長がそれぞれ異なる場合に、上記干渉信号の強度を計測する手段は、空間干渉縞を検出可能な空間分解能検出器を備えていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の装置。
上記偏光状態に依存する干渉信号の強度を選択的に計測する、特に、上記回折格子の座標系に基づいて、干渉信号のＴＥ成分とＴＭ成分の各強度を測定する手段は、回動可能な偏光フィルタを備えていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の装置。
上記偏光状態に依存する干渉信号の強度を選択的に計測する、特に、上記回折格子の座標系に基づいて、干渉信号のＴＥ成分とＴＭ成分の各強度を測定する手段は、適切な偏光状態敏感検出器を備えていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の装置。
上記偏光状態に依存する干渉信号の強度を選択的に計測する、特に、上記回折格子の座標系に基づいて、干渉信号のＴＥ成分とＴＭ成分の各強度を測定する手段は、入射光又は光源の偏光状態又は偏光方向を測定する手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の装置。
上記計測された干渉信号のＴＥ成分とＴＭ成分との間の相対位相シフトの測定に基づいて、複屈折光学素子が発生させた偏光方向の異なる成分間の相対位相シフトを精密測定するための請求項１乃至１４のいずれかに記載の測定装置。
上記計測された干渉信号のＴＥ成分とＴＭ成分との間の相対位相シフトの測定に基づいて、回折格子の実効光学的溝深さを精密測定するための請求項１乃至１４のいずれかに記載の測定装置。
上記計測された干渉信号のＴＥ成分とＴＭ成分の位相角の測定に基づいて、上記干渉計のアームの少なくとも１つの光路長の変化を精密測定するための請求項１乃至１４のいずれかに記載の測定装置。
測定対象の光路長の変化を上記干渉計のアームの少なくとも１つの光路長の対応する変化に関連付けることによって光路長の変化を精密測定するための請求項１７記載の測定装置。
上記計測された干渉信号のＴＥ成分とＴＭ成分の位相角の測定に基づいて、上記回折格子の側方変位を精密測定するための請求項１７又は１８に記載の測定装置。
測定対象の光路長の変化を上記回折格子の対応する側方変位に関連付けることによって光路長の変化を精密測定するための請求項１９記載の測定装置。
上記干渉計のアームの１つに導入された試料の吸収・屈折率又は屈折率のスペクトル依存変化を精密にスペクトル測定するための請求項１乃至２０のいずれかに記載の測定装置。
上記干渉計のアームの１つに導入された試料の偏光特性を精密にスペクトル測定するための請求項１乃至２１のいずれかに記載の測定装置。