JP2006511823A - Measurement of out-of-plane birefringence - Google Patents
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Abstract
【課題】 透明な光学材料から成る試料の面外複屈折特性の精密測定を可能とする方法を提供する。
【解決手段】 2つの角度的に分離された光線が光学要素の試料の選択された位置を通過する。両光線の一方は試料表面に入射する。試料通過後に両光線の特性が検出され、検出された情報が面外複屈折特性を決定するために処理される。PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method enabling precise measurement of out-of-plane birefringence characteristics of a sample made of a transparent optical material.
Two angularly separated rays pass through a selected location of a sample of an optical element. One of the two rays enters the sample surface. The characteristics of both rays are detected after passing through the sample and the detected information is processed to determine the out-of-plane birefringence characteristics.
Description
本発明は光学材料の複屈折特性の測定に関し、基本的には、そのような材料の面外複屈折の測定に関する。 The present invention relates to the measurement of birefringence properties of optical materials, and basically relates to the measurement of out-of-plane birefringence of such materials.
多くの重要な光学材料が複屈折を示す。複屈折は、異なる速度で前記材料を通過する異なる直線偏光を引き起こす。これらの異なる偏光は、一の成分が他の成分に直交する偏光の2つの成分であると考えられている。 Many important optical materials exhibit birefringence. Birefringence causes different linear polarizations that pass through the material at different speeds. These different polarizations are considered to be two components of polarized light where one component is orthogonal to the other.
複屈折は多くの光学材料に固有の特性であり、また前記材料に外力を加えることにより導入することができる。このようにして導入された複屈折は、前記複屈折が振動したときのように一時的に生じ、あるいは、例えば前記材料の製造過程で該材料が熱応力を受けたときにしばしば生じるように、前記複屈折が残留することがある。 Birefringence is an inherent property of many optical materials and can be introduced by applying an external force to the material. The birefringence introduced in this way occurs temporarily as when the birefringence oscillates, or often occurs, for example, when the material is subjected to thermal stress during the manufacturing process of the material, The birefringence may remain.
遅延すなわち遅延特性(retardance)は、前記光学材料からなる試料を通過する光線の経路に沿って作用する複屈折の統合された結果を表す。入射光線が直線偏光を受けると、該直線偏光の2つの直交成分がリターダンス(retardance)と称される位相差で前記試料内に存在する。リターダンスの基本単位は、ナノメートル(nm)のような長さである。しかし、光の波長(nm)で除したリターダンス(nm)に比例する位相角(波長、ラジアン又は度)の単位で表すことが便利である。試料についての「平均」複屈折は、測定されたリターダンスの大きさを前記試料の厚さで除することにより、算出されることがある。 Delay, or retardance, represents the integrated result of birefringence acting along the path of rays through a sample of optical material. When the incident light beam receives linearly polarized light, two orthogonal components of the linearly polarized light are present in the sample with a phase difference called retardance. The basic unit of retardance is a nanometer (nm) length. However, it is convenient to express it in units of phase angle (wavelength, radians or degrees) proportional to the retardance (nm) divided by the light wavelength (nm). The “average” birefringence for a sample may be calculated by dividing the measured retardance magnitude by the thickness of the sample.
前記した2つの直交する偏光成分は前記光学材料すなわち試料に関する2つの直角軸に平行であり、直角な両軸は「速軸」および「遅軸」と称されている。速軸は前記試料を通過する早い偏光成分に整列する該試料の軸線である。それ故、所与の光路に沿った試料のリターダンスの完全な記述は、該リターダンスの大きさ及び前記試料の速軸(又は遅軸)の相対的な角度方向の双方を特定することを必要とする。 The two orthogonal polarization components described above are parallel to the two perpendicular axes for the optical material or sample, both perpendicular axes being referred to as the “fast axis” and the “slow axis”. The fast axis is the axis of the sample that is aligned with the fast polarization component passing through the sample. Therefore, a complete description of a sample's retardance along a given optical path should specify both the magnitude of the retardance and the relative angular orientation of the fast axis (or slow axis) of the sample. I need.
複屈折特性を正確に測定することの必要性が多くの技術用途で益々重要になってきている。例えば、半導体または他の産業で採用される高精密機器で用いられている光学要素の線形複屈折を特定することが重要である。 The need to accurately measure birefringence characteristics is becoming increasingly important in many technical applications. For example, it is important to identify the linear birefringence of optical elements used in high precision instruments employed in semiconductors or other industries.
参考文献としてここに組み入れられた米国特許第6,473,747号、「複屈折測定装置」を含む従来技術は、試料表面に関して垂直(0角度)入射角で試料に向けられた光線を用いる試料の複屈折測定方法及び装置を開示する。その結果、試料の複屈折の決定は「面内」(in-plane)であり、その決定は、基本的には、前記試料の前記入射光に直角な面内での2つの直交軸の屈折率の差を示すことを意味する。 Prior art, including US Pat. No. 6,473,747, “birefringence measurement apparatus” incorporated herein by reference, uses a light beam directed at the sample at a normal (zero angle) angle of incidence with respect to the sample surface. A birefringence measuring method and apparatus are disclosed. As a result, the determination of the birefringence of the sample is “in-plane”, which basically determines the refraction of two orthogonal axes in the plane perpendicular to the incident light of the sample. It means to show the difference in rate.
表示される可視光での複屈折の効果(そのような効果は例えば光が光学フィルムあるいは塗膜を通過するときに生じる)は、コントラストを低下させあるいは色を変えるであろう。また、液晶表示(LCD)パネルで用いられているような多くの材料では、複屈折の程度すなわち大きさは光線の入射角の関数であると考えられている。例えばLCDパネルを見る視角の(垂線からの)増大は、前記パネルから発散する光線の複屈折効果を増大させ、補正なしには、コントラストの低減及び/又は色変わりにより、可視光の知覚品質を低下させてしまう。 The effect of birefringence in visible light that is displayed (such an effect occurs when, for example, light passes through an optical film or coating) will reduce contrast or change color. Also, in many materials such as those used in liquid crystal display (LCD) panels, the degree or magnitude of birefringence is considered to be a function of the incident angle of the light beam. For example, increasing the viewing angle (from the normal) when looking at an LCD panel increases the birefringence effect of rays emanating from the panel, and without correction, reduces the perceptual quality of visible light by reducing contrast and / or color changes I will let you.
視角の変化に起因する今や名高い複屈折を補償する目的でLCDパネルに用いるために透明な高分子フィルムが開発された。要約すれば、これらのフィルムは、前記LCDパネルの複屈折を補償する複屈折特性を有し、したがって、コントラストや色の大幅な損失を招くことなく、広い視角を提供する。 Transparent polymer films have been developed for use in LCD panels to compensate for the now famous birefringence caused by viewing angle changes. In summary, these films have birefringent properties that compensate for the birefringence of the LCD panel, thus providing a wide viewing angle without incurring significant loss of contrast or color.
そのようなフィルム及び他の光学材料の垂直(0角度)入射角に平行な面での複屈折を適正に特徴付けることは重要である。この複屈折の測定は、「垂直」または「面外」複屈折と称することができる。直交座標系の用語で面内及び面外屈折の概念を考えることができる。したがって、垂直入射光がそのような座標系のZ軸に平行な方向に進むと考えれば、前記面内複屈折は前記試料のXY面に生じる。面外複屈折は前記面内複屈折に直角な平面内であり、よって、XZまたはYZ面内に生じる。 It is important to properly characterize birefringence in planes parallel to the normal (zero angle) angle of incidence of such films and other optical materials. This measurement of birefringence can be referred to as “vertical” or “out-of-plane” birefringence. The concept of in-plane and out-of-plane refraction can be considered in terms of an orthogonal coordinate system. Therefore, assuming that normal incident light travels in a direction parallel to the Z-axis of such a coordinate system, the in-plane birefringence occurs on the XY plane of the sample. Out-of-plane birefringence is in a plane perpendicular to the in-plane birefringence and thus occurs in the XZ or YZ plane.
(先ほど述べた複屈折補償フィルムの例に加えて、)他の応用は、面外複屈折の正確な決定を必要とする。たとえば、フッ化カルシウムのような、ある種の等方性結晶は、その結晶中を短波長光(例えば157nm)が伝搬するとき、固有の複屈折を示す。その固有の複屈折は、前記結晶の[110]軸に平行な面内で最大になる。また、そのような結晶は、該結晶の[111]面に平行な入射光を垂直に受けるための外面すなわち「ウインドウ」をもつ。その結果、今述べた結晶の[110]軸に現れる固有複屈折は前記[110]面に垂直な光に関して面外複屈折となり、よって、次に要約を述べる本発明の測定技術に従う。 Other applications (in addition to the birefringence compensation film example just mentioned) require an accurate determination of out-of-plane birefringence. For example, certain isotropic crystals, such as calcium fluoride, exhibit intrinsic birefringence when short wavelength light (eg, 157 nm) propagates through the crystal. Its intrinsic birefringence is maximized in a plane parallel to the [110] axis of the crystal. Such crystals also have an outer surface or “window” for receiving incident light perpendicular to the [111] plane of the crystal perpendicularly. As a result, the intrinsic birefringence appearing on the [110] axis of the crystal just described becomes out-of-plane birefringence with respect to light perpendicular to the [110] plane, and thus follows the measurement technique of the present invention as summarized below.
本発明は透明な光学材料からなる試料の面外複屈折の精密な測定に向けられている。 The present invention is directed to precise measurement of out-of-plane birefringence of a sample made of a transparent optical material.
好ましい一実施例では、角度的に分離された2つの光線が試料の選択された位置を通される。両光線の一方は、試料表面に垂直な入射角に向けられる。両光線の特性は前記試料の通過後に検出され、得られた情報は面外複屈折の決定のために処理を受ける。 In one preferred embodiment, two angularly separated beams are passed through a selected location on the sample. One of the two rays is directed at an angle of incidence perpendicular to the sample surface. The characteristics of both rays are detected after passing through the sample, and the information obtained is processed to determine out-of-plane birefringence.
本発明の他の利点及び特徴は、本明細書の以下の記載および図面の検討により明らかになろう。 Other advantages and features of the invention will become apparent upon review of the following description and drawings of the specification.
本発明によれば、試料のある位置に生じる面外複屈折は2つの角度的に分離された光線が前記位置を通過することにより決定される。両光線の一方は前記試料の表面に垂直に方向付けられる。したがって、前記一方の光線は、前記試料から抜け出ると、前記試料の面内複屈折に関する情報を提供する。 According to the present invention, the out-of-plane birefringence that occurs at a location on the sample is determined by passing two angularly separated rays through the location. One of both rays is directed perpendicular to the surface of the sample. Thus, when the one light beam exits the sample, it provides information regarding the in-plane birefringence of the sample.
他方の光線は、前記試料表面に斜めに方向付けられ、したがって、前記試料を通る前記第2の光線の(屈折する)入射経路に沿って生じるリターダンスに関連する情報を提供する特性を伴って前記試料から抜け出る。角度的に分離された2つの光線によって与えられる情報は、検出され、前記試料の面内複屈折に加えて、前記試料の面外複屈折を提供するために、以下により詳細に記載されているような処理を受ける。 The other ray is directed obliquely to the sample surface, thus with characteristics that provide information relating to the retardance that occurs along the (refracting) incident path of the second ray through the sample. Exit from the sample. Information provided by two angularly separated rays is detected and described in more detail below to provide out-of-plane birefringence of the sample in addition to in-plane birefringence of the sample. Receive a process like this.
面外複屈折を測定するための装置の一実施例が、図1及び図2を参照して記載されている。図1の略図は、前記装置の主要光学要素を示す。前記光学要素は、集合化してモジュールとして述べられている。図1の実施例は、垂直ソースモジュール10と、垂直検出モジュール12と、斜めソースモジュール14と、斜め検出モジュール16とを記述する。「垂直」および「斜め」の用語は、ここでは、以下に詳述するように、それぞれ直角すなわち0角度の入射角で前記試料に向けられる光線に関連するモジュールと、斜めの角度で前記試料に向けられる光線に関連するモジュールとを区別する形容詞として用いられている。
One embodiment of an apparatus for measuring out-of-plane birefringence is described with reference to FIGS. The schematic diagram of FIG. 1 shows the main optical elements of the device. The optical elements are grouped and described as modules. The embodiment of FIG. 1 describes a
垂直ソースモジュール10の構成要素は、光源20としてHe-Neレーザを含む。前記レーザは632.8ナノメートル(nm)の波長を有する。前記光源の波長は、特定の応用に最も適合するように選択することができる。
The components of the
前記光源20から放射される光線「B」は、約1.0ミリメートル(mm)の横断面積すなわち「スポットサイズ」を有する。前記光源光線は、基準軸線に関して+45度の偏光方向に指向性を与えられた偏光子22に入射するように、方向付けられる。グラン−トムソン方解石のような高い消光性を示す偏光子が好ましい。また、精巧で段階的に動作する回転体に偏光子22を取り付けることが好ましい。
The light beam “B” emitted from the
偏光子22から放射する偏光は、光弾性変調器25の光学要素24に入射する。好適な実施例では、前記光弾性変調器(以下、「PEM」と称す。)は、オレゴン州ヒルズボロに所在するハインズ インスツルメンツ(Hinds Instruments)社製のPEMである。PEMが好適であるが、前記光源光線の偏光を変調するために他の機構を用いることができることは注目すべき点である。
Polarized light emitted from the
最も正確なリターダンス測定は、前記装置の光学要素に現れる残留複屈折を最小にしたときに達成される。この目的のために、PEM25は、該PEMの光学要素24の支持の影響力によって生じるかも知れない残留複屈折を排除するように、構成されるべきである。
The most accurate retardance measurement is achieved when the residual birefringence that appears in the optical elements of the device is minimized. For this purpose, the
PEM25は、0度に向けられた複屈折軸線を有し、好ましくは50kHzの公称周波数で光学要素24に振動複屈折を付与する制御器84により制御を受ける。この点に関し、前記制御器は2つのクオーツトランスデューサを駆動し、該クオーツトランスデューサ間に光学要素24が接着されている。
The
PEM25の振動複屈折は、該PEMを伝搬する偏光の直交成分間に時間変化の位相差を生じさせる。如何なる瞬間においても、前記位相差は、前記PEMにより引き起こされた遅延(retardation)である。先に述べたように、前記遅延はナノメートルのような長さの単位で測定できる。前記PEMは、該PEMにより引き起こされる前記遅延の大きさを変えることができるように、調整可能である。手近なところでは、前記遅延の大きさは、0.383波長(242.4nm)に選択される。
The vibrational birefringence of the
PEM25から伝搬する光線「B1」は透明な試料を通るように指向される。前記試料は、直交(XY)軸に沿って並進運動的な意味で前記試料を周期的に移動させるように制御できる試料ホルダ28によって、前記光線の経路に支持されている(ここではZ軸方向に進む光線を考える)。
The light beam “B1” propagating from the
試料26は、例えば、薄く、柔軟な高分子フィルムかも知れないので、ホルダは、2つの剛性支持部材間に強固に張られた複数の互いに離れた、小さな直径(例えば1または2ミリメートル)のワイヤーを含むものが好ましい。前記ワイヤーに、低摩擦被覆物で被覆されたあるいは被覆されていないステンレス鋼製のワイヤロープを用いることができる。また、ナイロンで被覆されたワイヤロープおよびその他の多くの材料を前記ワイヤーとして用いることができる。前記ワイヤー、該ワイヤーの張力および各ワイヤー間の間隔は、前記試料の重量に応じて、該試料がこれにたるみを生じさせるような曲げ応力を作用させない平面で支持されるように、選択される。ホルダ28の個々のワイヤー間の間隔は、(それらの自重および試料26の可撓性に応じて)できる限り大きくされ、上記したように、前記ワイヤーの下方に横たわる前記ワイヤーによって占められる空間が最小となる。
Since the
前記したように、前記試料を平行移動させるための従来のX−Yステージ機構により、試料ホルダ28を駆動することができ、これにより、試料26の全領域内の複数の位置を光線「B1」で走査することができる。
As described above, the
前記光線「B1」は、試料26を通過するとき、該試料の面内複屈折の影響を受ける。前記したように、その影響により、前記光線に遅延が生じる。この遅延を生じさせる面内複屈折は、以下に説明するように、本発明に従って決定され、また、面外複屈折の決定に用いられる。
When the light beam “B1” passes through the
前記試料に導入される面内遅延の明確な測定のために、試料26を通り抜ける前記光線「B1」が異なる偏光方向を有する2つの部分に分離され、それについて引き続く処理のために2つの情報のチャンネルが規定される。
For a clear measurement of the in-plane delay introduced into the sample, the beam “B1” passing through the
光線「B1」を分離するための好適な機構は、垂直検出モジュール12の構成要素でありかつ前記光線の経路(以下、入射経路と称す)に配置されたビーム分割ミラー30を含む。ビーム分割ミラー30は、好ましくは、ショットガラス型(Schott Glass type)SF-57で作られる。このガラスは、極端に低い(0に近い)応力光学係数を有する。ビーム分割ミラーが好ましいが、これに代えて、光線「B1」を2つの部分に分離するための他の(フリッパー状ミラー配置のような)機構を用いることができる。
A suitable mechanism for separating the light beam “B1” includes a
ビームすなわち光線「B1」がビーム分割ミラー30を完全に通過すると、「B1l」で表されているように、検出のための検出装置32に入る。検出装置32は、基準線から−45度の偏光方向に配置された小型のグラン-テイラー型(Glan-Taylor type)検光子42を含む。検光子42から、光線「B1l」は後でさらに述べる検知器44に入る。
When the beam or beam “B1” has completely passed through the
ビーム分割ミラー30の反射面は、上向きであり、試料26へ向き合う。前記ミラーは、入射経路(すなわち試料26から伝搬する光線「B1」の光路)が前記ミラーの反射面にほぼ垂直となるように、据え付けられている。好適な実施例では、前記入射経路に沿って進行する光線「B1」と前記ミラー30で反射された部分光線「B1R」との間の角度は0度より大きく10度より小さい。
The reflecting surface of the
反射された部分光線「B1R」は他方の検出装置50に入射する。検出装置50は、入射光線「B1」に近接するように構成され、配列されており、また反射光線「B1R」を受けるように位置する。検出装置50の構成要素は、一体的に小型化され、偏光方向がPEM25の複屈折軸線に平行な0度であるように配置されたグラン-テイラー型検光子74を含むように収容されている。
The reflected partial beam “B1R” is incident on the
検光子74上に、偏光したレーザ光の通過を許すが不要な室内光が検知器76に到達することを阻止する狭帯域干渉フィルタ77が積み重ねられている。前記検知器は、好ましくは前記フィルタ上に積み重ねられたフォトダイオードである。このフォトダイオード検知器76は、好適な検知機構であり、受けたレーザ光の時変強度を表す電流信号を出力する。この検出装置50に関し、検知されるレーザ光は、光線「B1R」のレーザ光であり、試料26から伝搬した光線の反射された部分である。
On the
検出装置50のフォトダイオード出力は、検出装置50の一部である関連のプリント回路基板(図示せず)に保持されたプリアンプに伝えられる。前記プリアンプは、低インピーダンス強度信号VAC1Rおよび感知器信号の時間平均を示す直流強度信号VDC1Rの形態で、位相感知装置(好ましくはロックインアンプ80または同等のコンピュータを利用したディジタル信号処理要素)に出力75(図2)を供給する。
The photodiode output of the
前記したもう一方の検出装置32(図1)でありかつ前記光線「B1」の非反射部分「B1l」が向けられる検出装置32は、直前に述べた検出装置50と2つの点を除いて同様な構成である。検出装置32は、検光子42の偏光方向が他方の検出装置50の検光子74の偏光方向に斜めになっている。特に、検光子42は、−45度の偏光方向で配置されている。また、検出装置32のフォトダイオードは、受けたレーザ光の時変強度を表す電流信号を出力し、試料26を通過して伝搬する光線「B1」の非反射部分「B1l」である。
The
検出装置32のフォトダイオードの出力はプリアンプに伝えられ、該プリアンプはその出力79を低インピーダンス強度信号VAC1および感知器信号の時間平均を示す直流強度信号VDC1の形態で、ロックインアンプ80(図2)に出力75(図2)を供給する。
The output of the photodiode of the
要約すると、ロックインアンプ80は2つの入力チャンネルを備える。一方は検出装置32の前記出力に対応し、他方のチャンネルは検出装置50の前記出力に対応する。第1のチャネルを経て前記ロックインアンプにより得られた強度情報は、−45度検光子42の配置により、試料26に導入された0度または90度の遅延特性(リターダンス)成分に関連する。ロックインアンプ80の第2のチャネルで受ける強度情報は、0度検光子74の配置の結果、前記試料に導入された45度または−45度の遅延成分に関連する。以下に説明するように、この情報は、試料のその位置での速軸の方向と同様に、該試料の走査位置での光線「B1」(すなわち垂直入射光線)にもたらされた総体的な遅延の大きさを明確に決定する結果を生じるアルゴリズムで結合される。
In summary, the lock-in
ロックインアンプ80は、その参照信号82として、PEM25の光学要素24を駆動するPEM制御器84により供給される発振周波数を受ける。ロックインアンプ80は、前記したチャネル1およびチャネル2として指定することができる2つのチャネルで受信される前記試料のその位置での値をディジタルコンピュータ90に提供するために、これに接続されている。前記両検知器のチャネル1および2の強度信号は以下のように導かれる。
The lock-in
ここで、ΔはPEMの時変位相遅延であり、δNは試料の光線「B1」関する遅延の大きさであり、ρは試料遅延の速軸の方位角である。導出に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、以下のような一般式になる。 Where Δ is the time-varying phase delay of the PEM, δ N is the magnitude of the delay with respect to the sample beam “B1”, and ρ is the fast axis azimuth of the sample delay. The Mueller matrix for the linear birefringent sample (δ, ρ) used for the derivation has the following general formula.
式(1)において、sinΔ(Δ=Δ0sinωt、ここで ωはPEMの変調周波数であり、Δ0 はPEMの最大ピーク遅延である。)は、第1種のベッセル関数で展開できる。 In equation (1), sin Δ (Δ = Δ 0 sin ωt, where ω is the modulation frequency of the PEM and Δ 0 is the maximum peak delay of the PEM) can be expanded by the first type Bessel function.
ここで、kは「0」または正の整数であり、J2k+1 は第(2k+1)次のベッセル関数である。同様に、cosΔ は、偶数次高調波のベッセル関数で展開できる。 Here, k is “0” or a positive integer, and J 2k + 1 is a (2k + 1) -th order Bessel function. Similarly, cosΔ can be expanded by a Bessel function of even harmonics.
ここで、J0 は、0次のベッセル関数であり、J2k は第(2k)次のベッセル関数である。 Here, J 0 is a 0th order Bessel function, and J 2k is a (2k) th order Bessel function.
式(1)ないし式(3)に見られるように、PEMの第1次高調波での信号を用いて遅延特性すなわちリターダンスの大きさおよびその方位角を決定することが好ましい。 As can be seen from the equations (1) to (3), it is preferable to determine the delay characteristic, that is, the magnitude of the retardance and its azimuth using the signal at the first harmonic of the PEM.
PEMの第2次高調波で線形複屈折を測定するために有用な信号は、sinδNに比較して極めて小さな値であるsin2(δN/2)によって補正される。前記検知器で示される1F電子信号は式(4)で表現することができる。 Useful signal for measuring the linear birefringence in the second harmonic of PEM, compared to sin [delta N is corrected by sin 2 (δ N / 2) is extremely small value. The 1F electronic signal shown by the detector can be expressed by equation (4).
前記したように、前記1F信号は、前記PEMの第1次高調波で参照されるロックインアンプ80を用いて決定される。前記ロックインアンプは1F以外の全ての高調波からの寄与を排除する。ロックインアンプ80のからの2つの前記チャネルのための出力は、以下のようになる。
As described above, the 1F signal is determined using the lock-in
低レベル線形複屈折のために、sinδN ≒ δN の近似が用いられ、また前記ロックインアンプが信号の自乗平均を測定するという事実から、振幅ではなく、√2が結果として生じる。 Because of the low level linear birefringence, an approximation of sin δ N ≈δ N is used and the fact that the lock-in amplifier measures the mean square of the signal results in √2 rather than amplitude.
前記PEMの第1次高調波以外の周波数に現れる全ての項は、式(5)を得ることにより、無視される。前記1FのVAC信号を得るための式(5)の妥当性は、δN が小さいときsin2(δN/2)≒0であるという近似の結果で保証される。このことは、例えば20nm以下の低レベルの遅延特性(リターダンス)に適合する。 All terms appearing at frequencies other than the first harmonic of the PEM are ignored by obtaining equation (5). The validity of the equation (5) for obtaining the 1F VAC signal is guaranteed by the approximation result that sin 2 (δ N / 2) ≈0 when δ N is small. This is suitable for a low level delay characteristic (retardance) of, for example, 20 nm or less.
前記光源の強度の揺らぎの影響、または吸収、反射損失あるいは散乱による伝達での変化の影響を除去するために、前記1FのVAC信号の前記VDC信号に対する比が用いられる。(それに代えて、DC信号を動的に統一的に正規化するような同様な方法を用いることができる。)式(1)におけるcosΔの項を排除することは、高品質のロックインアンプを用いて1FのVAC信号の決定を行うことに最小限の影響しか及ぼさないが、チャネル1のVDC信号に重大な影響を及ぼす。式(1)におけるcos2(δN/2)cosΔの項は、δNが小さいときcosΔの値に近似する。式(3)から分かるように、cosΔ の値はJ0(Δ0)に依存し、「DC」の項である。その結果、このDC項は、式7に示すように補正することができる。
The ratio of the 1F VAC signal to the VDC signal is used to remove the effects of fluctuations in the intensity of the light source or the effects of changes in transmission due to absorption, reflection loss or scattering. (Alternatively, a similar method can be used to dynamically and uniformly normalize the DC signal.) Eliminating the cosΔ term in equation (1) is a high quality lock-in amplifier. It has a minimal impact on making 1F VAC signal decisions, but has a significant impact on the
ここで、Rch1 および Rch2 は、それぞれ2つのチャネルから決定される量である。 Here, R ch1 and R ch2 are amounts determined from two channels, respectively.
チャネル1でcosΔ 項によって生じた「DC」項の補正のために、J0(Δ0) = 0 (Δ0 が2.405 ラジアンまたは0.383 波長のとき)となるように、PEM遅延を設定する。このPEM設定では、前記1Fの信号の生成のためのPEM効率はその最大の約90%である。
The PEM delay is set so that J 0 (Δ 0 ) = 0 (when Δ 0 is 2.405 radians or 0.383 wavelength) for correction of the “DC” term caused by the cos Δ term in
最終的に、垂直入射光線「B1」に影響を及ぼす面内遅延の計測量 δN(ナノメートル)および角度方向ρは式(8)で表される。 Finally, the measured amount δ N (nanometer) of the in-plane delay that affects the normal incident light beam “B1” and the angular direction ρ are expressed by Expression (8).
これらの式(8)はコンピュータ90上で動作するプログラムにコンパイルされ、角度的に分離された前記光線が伝搬する前記試料中の選択された位置での、このような遅延特性(リターダンス)の大きさおよび方位角を決定するのに用いられる。
These equations (8) are compiled into a program that runs on the
式(8)は、特に小さな線形複屈折のために開発された。式(8)を導くために用いたsinδN ≒ δN の近似は、光の波長が632.8nmのときδ=20nmに対して約1%の誤差をもつ。大きな遅延特性(リターダンス)に対しては、δNに代えて sinδN が用いられる。 Equation (8) was developed especially for small linear birefringence. The approximation of sin δ N ≈δ N used to derive equation (8) has an error of about 1% for δ = 20 nm when the wavelength of light is 632.8 nm. For large delay characteristic (retardance), sin [delta N is used instead of the [delta] N.
前記PEMのような装置の構成要素の残留複屈折を除去するための前記した試みに拘わらず、少なくともある程度の残留複屈折の存在は避けがたい。本発明の装置では、高精度の結果は、本装置のオフセットと称される如何なる残余の残留複屈折をも無効にするために式(8)の結果を補正することにより、得られる。現実に、前記光弾性変調器の光学要素やビーム分割ミラー基板における残留複屈折は、測定結果に誤差をもたらし得る。そのような誤差は、始めに試料の無い状態で前記装置を作動させることによって測定することができる。誤差の補正は、各チャネルの誤差値を差し引くことにより、行われる。原理上、その手順は、本装置の自己較正(セルフ−キャリブレーション)方法を提供する。しかしながら、本装置での試料の測定と他の方法を用いて得られた測定との比較は、賢明である。 Despite the above-described attempts to remove residual birefringence in components of devices such as the PEM, the presence of at least some residual birefringence is unavoidable. In the device of the present invention, a highly accurate result is obtained by correcting the result of equation (8) to nullify any residual residual birefringence referred to as the device's offset. Actually, the residual birefringence in the optical element of the photoelastic modulator and the beam splitting mirror substrate may cause an error in the measurement result. Such errors can be measured by first operating the device in the absence of a sample. Error correction is performed by subtracting the error value of each channel. In principle, the procedure provides a self-calibration method for the device. However, it is advisable to compare sample measurements with this device to measurements obtained using other methods.
前記試料の面内複屈折によって導入された遅延特性(リターダンス)δN の値は、図1に「B2」として示された他の光線に付与された遅延特性(リターダンス)の測定と同時的に用いられる。前記したように、光線「B2」は試料26の前記表面に斜めに向けられる。そのため、光線「B2」は前記試料を通過する光線「B2」の(屈折)入射経路に沿って生じる遅延特性(リターダンス)に関連した情報を提供する特徴を伴って前記試料から出る。したがって、角度的に分離された2つの光線「B1」および「B2」により提供される情報は、前記試料の面内複屈折に加えて、前記試料の面外複屈折を提供するために、検出され、また処理される。
The value of the delay characteristic (retardance) δ N introduced by the in-plane birefringence of the sample is the same as the measurement of the delay characteristic (retardance) given to the other light beam shown as “B2” in FIG. Used. As described above, the light beam “B2” is directed obliquely toward the surface of the
以下に述べる点を除いて、斜めソースモジュール14および斜め検出モジュール16は、垂直ソースモジュール10および垂直検出モジュール12にそれぞれ匹敵する。したがって、斜めソースモジュール14は、垂直ソースモジュール10の光源20、偏光子22およびPEM25と同様に機能する光源220、偏光子222およびPEM225を含む。同様に、斜め検出モジュール16は、垂直検出モジュール12のビーム分割ミラー30および検出装置32、50と同様に機能するビーム分割ミラー230および検出装置232、250を含む。斜め検出モジュール16では、光線「B2」は、したがって、2つの部分「B2I」および「B2R」に分けられ、垂直検出モジュール12における光線部分「B1I」および「B1R」と同様な処理を受ける。
Except as noted below, the
垂直モジュール10、12と斜めモジュール14、16との根本的な差違は、該両斜めモジュールが、垂直入射光線「B1」に関して斜めである図1の角度「A」で試料26を通過するように伝搬する光線「B2」を提供し検出するために用いられていることである。この目的のために、本実施例では、斜めソースモジュール14は、垂直ソースモジュール10から離れて据え付けられ、また前記試料内の同一位置を伝搬する角度的に分離された光線「B1」および「B2」を生成するように、傾斜される。
The fundamental difference between the
一実施例では、角度「A」は30度に選択される。後述する面外複屈折の計算は、両光線「B1」および「B2」から導き出される情報を含むことから、角度「A」は、斜め角度光線「B2」の前記試料に侵入する位置が垂直入射光線「B1」の侵入する位置と角度をなすように実質的にそろい、また両位置での寸法が著しく異ならないことを確実にする上で、小さな角度が好ましい。これらのことを考慮して、両光線を30度だけそらせるように処置されている。 In one example, the angle “A” is selected to be 30 degrees. Since the calculation of out-of-plane birefringence described later includes information derived from both rays “B1” and “B2”, the angle “A” is perpendicular to the position where the oblique angle ray “B2” enters the sample. A small angle is preferred to ensure that it is substantially aligned with the position where the beam “B1” enters and that the dimensions at both positions are not significantly different. In consideration of these matters, treatment is performed to deflect both rays by 30 degrees.
当業者は、垂直検出モジュール12および該検出モジュールで受光された光線「B1」の関連する処理についての前記した考察に引き続き、前記ロックインアンプ280(図2参照)に適用されコンピュータ90により処理される検出された信号が、斜め光線「B2」における遅延特性(リターダンス)の計測量δN(ナノメートル)を生じることを理解するであろう。この情報は、次に説明するように、前記試料の選択された位置に関連する面内複屈折および面外複屈折の好ましくは同時的な計算のために、測定された垂直遅延δNの情報に用いられる。
Those skilled in the art will apply the lock-in amplifier 280 (see FIG. 2) to be processed by the
前記したように、Z軸にあると見なせる垂直入射光線「B1」の前記リターダンスの大きさは、δN (ナノメートル)で表示されている。前記面内複屈折は次のとおり定義される。 As described above, the magnitude of the retardance of the normal incident light beam “B1” that can be regarded as being on the Z axis is represented by δ N (nanometers). The in-plane birefringence is defined as follows.
ここで、nY および nX は、前記入射光線に直角である、試料の直交軸、X軸およびY軸における前記試料の屈折率をそれぞれ表す。変数「d」は、前記試料の厚さであり、典型的にはマイクロメータで計測され、したがって遅延測定のナノメートルの次元に会わせるために、ここでは1000倍されており、これにより式(9)の微少な面内複屈折が得られる。 Here, n Y and n X represent the refractive index of the sample on the orthogonal axis, the X axis, and the Y axis of the sample, respectively, perpendicular to the incident light beam. The variable “d” is the thickness of the sample, typically measured with a micrometer, and is therefore multiplied by 1000 here to meet the nanometer dimension of the delay measurement, which yields the formula ( The in-plane birefringence of 9) is obtained.
したがって、前記垂直遅延特性(リターダンス)の計測量は、次のように前記面内複屈折に関連する。 Therefore, the measurement amount of the vertical delay characteristic (retardance) is related to the in-plane birefringence as follows.
(再び前記した直交座標系を用いて)XZ平面での面外(すなわち垂直)複屈折の値を求める状況下を考えるに、前記面外複屈折は、ΔnV1 = nZ nXで示される。 Considering the situation of determining the value of out-of-plane (ie, vertical) birefringence in the XZ plane (again using the orthogonal coordinate system described above), the out-of-plane birefringence is expressed as Δn V1 = n Z n X .
前記したように、前記試料の速軸 ρ は、式(8)に示されるように算出される。ここで必要なことは、この情報は、前記試料の複屈折(速)軸および複屈折(速)軸の計測成分が一直線上にあるということを保証することである。そのために、斜め角度光線「B2」の角度「A」はφ(この実施例では、30度)であり、前記試料はnの値の平均屈折率を有すると仮定すると、前記試料内部の修正された(屈折による)入射角は次式である。 As described above, the fast axis ρ of the sample is calculated as shown in Equation (8). What is needed here is that this information ensures that the measured components of the birefringence (fast) axis and birefringence (fast) axis of the sample are in a straight line. To that end, assuming that the angle “A” of the oblique angle beam “B2” is φ (30 degrees in this example) and the sample has an average refractive index of n, the internal correction of the sample is made. The incident angle (due to refraction) is:
斜め角の遅延特性(リターダンス)は次式で示される。 The delay characteristic (retardance) of the oblique angle is expressed by the following equation.
式(10)および式(11)を再整理すると、次式が得られる。 Rearranging equations (10) and (11) yields:
両式を結合すると、次式が導かれる。 Combining both equations leads to the following equation:
すなわち Ie
その値は、コンピュータ90を用いて算出されるとおり、XZ面での前記試料の面外(すなわち垂直)複屈折である。
The value is the out-of-plane (ie vertical) birefringence of the sample in the XZ plane, as calculated using the
所望であれば、本発明の装置は、異なる垂直面のための面外複屈折の決定に用いられ、前記試料の(XZ面に垂直な)YZ面でのそれは、次のとおりである。 If desired, the device of the present invention is used to determine out-of-plane birefringence for different vertical planes, which in the YZ plane (perpendicular to the XZ plane) of the sample is as follows.
前記試料26をそのXY面内で回転されることができ、すなわち、前記した一つの垂直面以外での面外複屈折の計測を実行するために、第3のソースモジュールおよび検出モジュールの対を使用することができる。
The
前記面内複屈折が斜め複屈折に比較して無視できる場合、X軸およびY軸が複屈折軸(速軸および遅軸)に一致することおよび前記複屈折測定装置は不要となることは注目すべきである。そのような場合、面外複屈折は、次式のとおりである。 Note that when the in-plane birefringence is negligible compared to the oblique birefringence, the X-axis and the Y-axis coincide with the birefringence axes (fast axis and slow axis) and the birefringence measuring device is unnecessary. Should. In such a case, the out-of-plane birefringence is as follows:
図3および図4は、本発明の他の実施例の線図および図3に示す装置の信号処理要素のブロック図をそれぞれ示す。この例は、前記したと同様な方法で面外複屈折を算出するが、前記した垂直δNおよび斜めδOの遅延特性(リターダンス)の測定結果を決定するための異なる配置例を用いた二重PEM、単一検知器の実施例である。 3 and 4 show a diagram of another embodiment of the present invention and a block diagram of signal processing elements of the apparatus shown in FIG. 3, respectively. In this example, the out-of-plane birefringence is calculated in the same manner as described above, but a different arrangement example is used to determine the measurement results of the delay characteristics (retardance) of the vertical δ N and the oblique δ O described above. 2 is an example of a dual PEM, single detector.
図3に示されているように、垂直ソースモジュール310は光源322、+45度の指向性を与えられた偏光子324および0度の指向性を与えられたPEM326を含む。
As shown in FIG. 3, the
垂直検出モジュール312は、第1のPEM326の変調周波数と異なる変調周波数が設定された第2のPEM328を含む。第2のPEM28は45度の指向性を与えられている。垂直検出モジュール312は、また、0度の検光子330および検出装置332を含む。
The
先に示した実施例におけると同様に、前記ソースおよび検出の両モジュール間には、透明な試料26のためのホルダ28が配置されている。
As in the previous embodiment, a
図3に示された垂直ソースモジュール310および検出モジュール312を引き続き参照するに、ソースモジュール322は、波長が632.8ナノメートルの偏光を受けるHe-Neレーザである。偏光子324および検光子330はそれぞれグラン−トムソン型偏光子である。また、本実施例では、Siフォトダイオード検知器344が用いられている。両PEM326、328は、2つのトランスデューサを有する棒状の石英ガラスモデルである。前記トランスデューサは柔らかな結合材料で石英ガラス光学要素に取り付けられている。前記光学要素に導入される複屈折を最小にするために、前記トランスデューサのみがPEMハウジングに据え付けられている。2つのPEM326、328は、50および55KHzの公称共振周波数をそれぞれ有し、制御器(図示せず)により駆動される。
With continued reference to the
図4に示されているように、検出装置332で生じる電子信号は、「AC」および「DC」の両信号を含み、それぞれに異なる処理を受ける。前記AC信号は2つのロックインアンプ340、342に供給される。各ロックインアンプは、PEMの基本変調周波数(1F)を参照し、検出装置332から供給される前記1F信号を復調する。
As shown in FIG. 4, the electronic signal generated by the
検出装置332からの前記DC信号が、アナログ−ディジタル変換器およびローパス電気フィルタを通過した後、ロックインアンプ340により受信される。前記DC信号は検出装置332に到達した光の平均強度を表す。次に説明するように、前記DCおよびACの両信号は、異なるPEM遅延設定値で記録される必要がある。
The DC signal from the
この実施例における試料26の複屈折特性の測定に基づく理論的分析は、またミュラー行列分析に基づいており、図3および図4に示されたこの二重PEM、単一検知器の実施例について以下に説明する。
The theoretical analysis based on the measurement of the birefringence properties of the
図3に示された対をなすソースおよび検出の両モジュールのそれぞれのためのミュラー行列が以下に示されている。δ(ここでは、以下に述べるように垂直/斜めの意味よりもむしろ一般的な意味に考えられている)の大きさおよび速軸の角度がρを有する、本光学装置内の試料26は以下の式で表される。
The Mueller matrix for each of the paired source and detection modules shown in FIG. 3 is shown below. A
2つのPEM(一方がソースモジュールに、また他方が検出モジュールにあってρ = 0度および 45度でそれぞれに指向された遅延軸を有する)のミュラー行列は、それぞれ次のとおりである。 The Mueller matrices of the two PEMs (one in the source module and the other in the detection module, with delay axes oriented at ρ = 0 and 45 degrees, respectively) are as follows:
ここで、δ1 および δ2 は、ソースPEM(326または426)および検出PEM(328または428)の時変位相遅延であり、δ1 = δ1osinω1t および δ2 = δ2osinω2tであり、また、ここで ω1 およびω2 はそれぞれPEMの変調周波数であり、 δ1o およびδ2o は2つのPEMの遅延振幅である。
Where δ1 and δ2 are the time-varying phase delays of the source PEM (326 or 426) and detection PEM (328 or 428), δ1 = δ1 o sinω 1 t and δ2 = δ2 o sinω 2 t, and Where ω 1 and ω 2 are the modulation frequencies of the PEM, respectively, and
図3に示された装置における光学要素のミュラー行列を用いれば、検知器(344または444)に到達する光強度は、次式のとおり、求められる。 If the Mueller matrix of the optical element in the apparatus shown in FIG. 3 is used, the light intensity reaching the detector (344 or 444) is obtained as follows.
ここで、I0 は偏光子(324または424)を通過後の光強度であり、Kは前記偏光子を通過した後での前記光学系の伝達効率を表す定数である。 Here, I 0 is the light intensity after passing through the polarizer (324 or 424), and K is a constant representing the transmission efficiency of the optical system after passing through the polarizer.
式(19)中のsinδ1 および cosδ1 は、第1種のベッセル関数で次のとおり展開できる。 Sin δ1 and cos δ1 in equation (19) can be expanded as follows by the first type Bessel function.
ここで、kは「0」または正の整数であり、J2k+1は第(2k+1)次のベッセル関数である。 Here, k is “0” or a positive integer, and J 2k + 1 is a (2k + 1) -th order Bessel function.
ここで、J0 は0次のベッセル関数であり、J2k は第(2k)次のベッセル関数である。 Here, J 0 is a 0th order Bessel function, and J 2k is a (2k) th order Bessel function.
同様な展開をsinδ2 およびcosδ2について行うことができる。 A similar expansion can be performed for sinδ2 and cosδ2.
sinδ1 、cosδ1、sinδ2およびcosδ2 の展開式を式(19)に代入し、第2次のベッセル関数のみを扱うことにより、以下の項を得ることができる。 By substituting the expansion equations of sin δ1, cos δ1, sin δ2, and cos δ2 into equation (19) and handling only the second-order Bessel function, the following terms can be obtained.
項(3)および項(4)の第1部分は、低レベル(π/2すなわち1/4波長以下)での線形遅延特性の決定に用いることができる。項(2)はより高いレベル(πすなわち半波長まで)の線形遅延特性の決定に用いられる。項(1)は平均光強度に関するDC項を含む。 The first part of terms (3) and (4) can be used to determine the linear delay characteristics at low levels (π / 2, ie ¼ wavelength or less). The term (2) is used to determine a higher level (up to π or half wavelength) linear delay characteristics. The term (1) includes a DC term relating to the average light intensity.
2つのPEMの関連する第1高調波(1F)で参照されるロックインアンプ(304、342または440、442)を用いて、検出装置(332または432)の1FのAC信号を決定することができる。前記ロックインアンプは他の全ての高調波の関与を効果的に排除する。2つのPEMのための前記ロックインアンプにより測定される1F信号は、次のとおりである。 Using the lock-in amplifier (304, 342 or 440, 442) referenced in the associated first harmonic (1F) of the two PEMs to determine the 1F AC signal of the detection device (332 or 432) it can. The lock-in amplifier effectively eliminates the involvement of all other harmonics. The 1F signal measured by the lock-in amplifier for two PEMs is:
個々で√2は、ロックインアンプの出力が振幅ではなく自乗平均を測定するという事実に依る。式(22)から、J0(δ10)2J1((δ20) およびJ0(δ20)2J1((δ10)のそれぞれの最大値は前記ロックインアンプの出力に最良の結果をもたらすことが理解できよう。前記AC信号が収集されたとき、該AC信号の最適化のために両PEMの遅延振幅が1.43ラジアンになるように設定される。 Individually √2 depends on the fact that the output of the lock-in amplifier measures the root mean square, not the amplitude. From equation (22), the maximum values of J 0 (δ1 0 ) 2J 1 ((δ2 0 ) and J 0 (δ2 0 ) 2J 1 ((δ1 0 )) indicate the best results for the output of the lock-in amplifier. When the AC signal is collected, the delay amplitude of both PEMs is set to 1.43 radians for the optimization of the AC signal.
前記DC信号は、項(1)から次のとおり導かれる。 The DC signal is derived from the term (1) as follows.
ここで、PEMの変調周波数の関数として変化する全ての項は、前記DC信号に実質的に寄与しないことから省略される。前記したローパス電気フィルタがそのような振動を除去するために用いられる。 Here, all terms that change as a function of the modulation frequency of the PEM are omitted because they do not substantially contribute to the DC signal. The low pass electrical filter described above is used to eliminate such vibrations.
小さな角度近似(xが小さいとき、sinx = x および sin2x = 0)内では、VDCは、試料の遅延に依存せず、したがって前記検知器に到達する光強度の平均値を表す。しかしながら、30nmを越える遅延を有する試料が測定されるとき、式(23)に示されているように、VDCは、一般的に、遅延の大きさおよび角度の影響を受ける。したがって、測定されたDC信号は平均光強度を正確に表してはいない。この場合、最も簡単な方法は、J0(δ10) およびJ0(δ20)の両者を「0」に設定することである。前記DC信号は次のようになる。 Within a small angular approximation (sinx = x and sin 2 x = 0 when x is small), V DC does not depend on the sample delay and thus represents the average value of the light intensity reaching the detector. However, when a sample with a delay in excess of 30 nm is measured, V DC is generally affected by the magnitude and angle of the delay, as shown in equation (23). Therefore, the measured DC signal does not accurately represent the average light intensity. In this case, the simplest method is to set both J 0 (δ1 0 ) and J 0 (δ2 0 ) to “0”. The DC signal is as follows.
この実施例では、PEMの遅延振幅は、DC信号の記録のために、δ10 =δ20 =2.405ラジアン(0.3828波)に選択された。そのようなPEM設定では、J0(δ10) = J0(δ20) = 0である。したがって、DC信号は、ρまたはδに依存せず、検知器(244または444)に到達する光強度の平均値を正確に示す。 In this example, the delay amplitude of the PEM was selected to be δ1 0 = δ2 0 = 2.405 radians (0.3828 waves) for DC signal recording. In such a PEM setting, J 0 (δ1 0 ) = J 0 (δ2 0 ) = 0. Therefore, the DC signal does not depend on ρ or δ, but accurately indicates the average value of the light intensity reaching the detector (244 or 444).
これから理解できるように、この方法では、異なるPEM設定でACおよびDC信号を記録する必要があり、したがって測定の速さは低い(データポイントあたり約2秒)。この方法は、30nmを越える線形遅延の正確な測定を提供する。速度が重要であるとき、これに代わる方法を用いることができる。AC信号が記録される状況下でDC信号がδ10 = δ20 = 0143ラジアンで収集されると、ACのDCに対する比を用いて測定された試料の遅延特性は、該試料の角度方向に依存する。しかしながら、前記DC項は式(23)で定義される。したがって、遅延特性の大きさおよび角度の両方の計算の反復により遅延特性の角度依存を低減することが可能となる。 As can be seen, this method requires AC and DC signals to be recorded at different PEM settings, and thus the measurement speed is low (approximately 2 seconds per data point). This method provides an accurate measurement of linear delay above 30 nm. Alternative methods can be used when speed is important. When a DC signal is collected at δ1 0 = δ2 0 = 0143 radians under conditions where an AC signal is recorded, the delay characteristics of the sample measured using the ratio of AC to DC depend on the angular orientation of the sample To do. However, the DC term is defined by equation (23). Therefore, it is possible to reduce the angular dependence of the delay characteristic by repeating the calculation of both the magnitude and angle of the delay characteristic.
光源の揺らぎと、前記試料および他の光学要素からの吸収、反射および散乱とによる光強度の変動の影響を除去するために、DC信号に対する1FのAC信号の比が用いられる。両PEMのためのDC信号に対するAC信号の比は、式(25)で表される。 In order to eliminate the effects of light intensity fluctuations due to light source fluctuations and absorption, reflection and scattering from the sample and other optical elements, a ratio of 1F AC signal to DC signal is used. The ratio of the AC signal to the DC signal for both PEMs is expressed by equation (25).
両PEMのための補正比として、R1およびR2の定義が求められる。 As correction ratios for both PEMs, definitions of R 1 and R 2 are required.
最終的に、複屈折の大きさおよびその角度方向が次のように表される。 Finally, the magnitude of birefringence and its angular direction are expressed as follows.
ここで、δはラジアンで表されたスカラーである。特定の波長(例えば632.8nm)で測定がなされたとき、ナノメートル単位に遅延を変換する(たとえば632.8/(2π)倍する)ことは容易である。 Here, δ is a scalar expressed in radians. When measurements are made at a specific wavelength (eg 632.8 nm), it is easy to convert the delay to nanometers (eg multiply by 632.8 / (2π)).
式(27)は、線形複屈折の決定でアークサイン関数を用いることにより、特に小さな線形複屈折のために展開されていることは、強調されるべきである。それ故、ここに記載の方法には、光源として632.8nmのレーザが用いられるとき、π/2すなわち158.2nmの理論的上限が存在する。 It should be emphasized that equation (27) has been developed especially for small linear birefringence by using the arc sine function in the determination of linear birefringence. Therefore, the method described here has a theoretical upper limit of π / 2 or 158.2 nm when a 632.8 nm laser is used as the light source.
両PEM変調周波数での前記信号は前記試料の速軸の方向に依存し(式(24)参照)、最終的な遅延の大きさは、速軸角度に依存しない(式(27)参照)。この角度の、遅延の大きさに対する独立性を達成するために、前記装置における全ての光学要素を正確に方向付けることが重要である。また、前記した実施例におけると同様に、高品質の光学要素が用いられている場合であっても、機器自体に存在する残留線形複屈折の矯正(機器補正)は、賢明である。 The signal at both PEM modulation frequencies depends on the direction of the fast axis of the sample (see equation (24)), and the final delay magnitude does not depend on the fast axis angle (see equation (27)). In order to achieve independence of this angle with respect to the magnitude of the delay, it is important to correctly orient all optical elements in the device. Further, as in the above-described embodiments, even when high-quality optical elements are used, correction of residual linear birefringence (instrument correction) existing in the instrument itself is sensible.
式(27)の前記したところは、基本的には、一般的な意味で提示され、計算時に垂直入射光線「B1」(図3)からの検出情報が適用できるならば、先に述べた実施例に関連して前記したように同じ計測値δN に対応して、面内遅延測定δNが決定できることは、当業者が理解できるであろう。 The above in equation (27) is basically presented in a general sense, and if the detection information from the normal incident ray “B1” (FIG. 3) can be applied during the calculation, the implementation described above. One skilled in the art will appreciate that the in-plane delay measurement δ N can be determined corresponding to the same measurement δ N as described above in connection with the example.
図3の実施例における前記試料の面内複屈折により生じる遅延δNの値は、前記したように、図3の「B2」として示された「斜め」の他方の光線により付与される遅延測定の検出と同時的に用いられる。その光線「B2」は試料26の表面に斜めに向けられる。したがって、光線「B2」は、前記試料を通過する光線「B2」の(屈折)入射経路に沿って生じる遅延に関連する情報を提供する特性を伴って、前記試料から抜け出る。よって、2つの角度的に分離された光線「B1」、「B2」により提供される情報は、検出され、前記試料26の面内複屈折に加えて、その試料の面外複屈折を提供すべく処理を受ける。
The value of the delay δ N caused by the in-plane birefringence of the sample in the embodiment of FIG. 3 is the delay measurement given by the other “oblique” ray shown as “B2” in FIG. Used simultaneously with detection of The light beam “B2” is directed obliquely to the surface of the
以下に述べる点を除いて、斜めソースモジュール314および斜め検出モジュール316は、垂直ソースモジュール310および垂直検出モジュール312にそれぞれ匹敵する。したがって、斜めソースモジュール314は、垂直ソースモジュール310の光源322、偏光子324およびPEM326と同様に機能する光源422、偏光子424およびPEM426を含む。同様に、斜め検出モジュール316は、垂直検出モジュール312のPEM328および検出装置332と同様に機能する他のPEM428および検出装置432を含む。
Except as noted below, the
垂直モジュール310、312と斜めモジュール314、316との根本的な差違は、該両斜めモジュールが、垂直入射光線「B1」に関して斜めである図3の角度「A」で試料26を通過するように伝搬する光線「B2」を提供し検出するために用いられていることである。この目的のために、斜めソースモジュール314は、前記試料内の同一位置を伝搬する角度的に分離された光線「B1」および「B2」を生成するように、据え付けられている。図3に示す実施例では、角度「A」が30度に選択されている。
The fundamental difference between the
垂直検出モジュール312および関連する処理の前記したところに従って、当業者は、ロックインアンプ440、442(図4)に適用されまたコンピュータ90により処理を受ける検出信号が、斜め光線「B2」(図3)に影響を及ぼす遅延の計測量 δO (ナノメートル)を生じるであろうことを理解できよう。この情報は、図1および2の実施例に関連して前記したと同様に、前記試料の選択された位置に関連する、望ましくは同時的な面内複屈折および面外複屈折の算出のために、垂直遅延δNの計測値と共に使用される。
In accordance with the above description of the
前記した実施例は、2つの分離したソースモジュールおよび対応した2つの分離した検出モジュールを含んでいた。置換例として図5に示すように、単一ソースモジュール510を用いることが考えられる。そのような実施例では、ソースモジュール510は、垂直ソースモジュール10のような前記したソースモジュールのうちの一つのソースモジュールの構成要素(光源、PEM等)のそれぞれに匹敵するそれらを有するように、構成される。前記ソースモジュールから放射される光線「B」は、ホルダ28上の試料に到達する前に分流器(diverter)514に入る。前記分流器は、部分反射鏡とすることができ、図5に示されているように、試料上の共通位置で分流器514を通過した光線部分「B1」と交差すべく、ミラー518によって試料26へ戻すように反射される光線「B2」に転換するために幾らかの光線の方向を変える。したがって、分流器514およびミラー518は、単一ソースモジュール510の光線「B」から前記試料を通過する2つの互いに角度的に分離された光線「B1」および「B2」を生成する。
The embodiment described above included two separate source modules and corresponding two separate detection modules. As a replacement example, it is conceivable to use a
前記試料を通過した後、光線「B1」(図5)は検出モジュール512に向けられる。そのモジュール512は、面内複屈折に関連する情報を検出するための検出モジュール12のような、前記した検出モジュールで記載された構成要素(検光子、検知器等)のそれぞれに匹敵するそれらを含む。同様に、光線「B2」は、試料26を通過した後、斜め検出モジュール516に向けられる。そのモジュール516は、また光線「B2」に付与される斜め角度遅延に関連する情報を検出するための、検出モジュール16のような、前記した検出モジュールで記載された構成要素(検光子、検知器等)のそれぞれに匹敵するそれらを含む。これまでの例と同様に、垂直および傾斜検出モジュールから集められた情報は、関心のある垂直面の面内および面外複屈折の値へむけての処理を受ける。
After passing through the sample, the light beam “B1” (FIG. 5) is directed to the
図5の実施例の分流器514として、フリップミラー(flip mirror)を用いることができる。これに関して、前記ミラーは、前記ソースモジュール510から光線「B」の経路の内外へ周期的に反転し、これにより前記した検出のための斜め光線「B2」が生じる。したがって、前記フリップミラーが周期的に光線「B」の経路から退出するとき、図示のとおり、垂直光線「B1」が検出モジュール512に到達する。前記フリップミラーの動作の周波数は、(光線B1に影響を及ぼす)面内複屈折と(両光線B1、B2からの検出情報で決定される)面外複屈折との両者を実質的に同時に検出し算出するに十分な高速で(適切な往復動のアクチュエータにより規定されるとおり)なされることが好ましい。
A flip mirror can be used as the shunt 514 in the embodiment of FIG. In this regard, the mirror periodically flips from the
図6は、本発明の他の実施例であり、試料26を通り抜ける2つの互いに角度的に分離された光線「B1」および「B2」を発生するために、図5におけると同様に、単一ソースモジュール610と、分流器616と、ミラー618とが用いられている。本実施例には、前記試料を通り抜けた後の斜め光線「B2」を反射するための他のミラー614が含まれている。反射された光線は収束器(converger)620に当たり、該収束器は垂直入射光線B1の光経路に配置されており、該光経路は単一の検出モジュール612に終端する。その検出モジュール612は、図3の検出モジュール312のような前記した検出モジュールに匹敵する要素を有する。
FIG. 6 is another embodiment of the present invention, in order to generate two angularly separated rays “B1” and “B2” that pass through the
収束器620は垂直入射光線「B1」の経路が検出モジュール612に達することを可能とし、また同一の検出モジュール612による検出のための共通軸に沿って他の光線「B2」を光線「B1」に収斂させる。好ましくは、分流器616または収束器の少なくとも一方が垂直入射光線「B」、「B1」の経路から出入りするフリップミラーである。前記フリップミラーのアクチュエータは、前記コンピュータの制御および監視下にあり、これにより前記装置が収斂経路の光線「B1」または「B2」のうちの特定の時間に単一の検出モジュールにあたるいずれかを迅速に決定することが可能となる。
The converging device 620 allows the path of the normal incident light beam “B1” to reach the
また、単一の(非分岐)経路に沿って進行する単一ソース光線に関して、試料ホルダを周期的に傾けるように構成することができる。そのような傾斜は、図1に波線で示されているように、試料の傾斜位置への出入りに伴って単一光線が前記した角度的に分離された前記光線の両方を提供するのと同様な機能を果たすことを可能とする。好ましくは、ホルダ28は、前記光線が前記試料の同一位置を通り抜け、また情報が垂直入射光線(平坦に方向付けられた試料)および傾斜入射光線(傾斜試料)の両方で検出されるように、前記試料を確実に傾斜させるべく配置されかつ動作される。
Also, the sample holder can be configured to periodically tilt with respect to a single source beam traveling along a single (non-branching) path. Such tilting is similar to providing both the above-mentioned angularly separated rays as a sample enters and exits the tilted position, as shown by the wavy lines in FIG. It is possible to perform various functions. Preferably, the
前記した傾斜試料ホルダの一実施例が図7に図示されている。そこでは、傾斜試料236は、前記したようにソースモジュール10から出る光線のような光線221の固定経路を横切る(ここでは線形のY方向)。前記試料236は、X/Yステージ試料ホルダ234によって徐々に横切り、その結果、前記試料表面の複数の位置にわたる複屈折データが収集される。前記試料ホルダ234は、例えば前記光線の相互に異なる多数の入射角での前記試料の複屈折の解析を容易とすべく、前記試料を回転できるように作られている。例えば、図8に示されているホルダ234は、試料236を整列した枢軸ポスト240、241の周りに取り付ける。サーボモータ235が一方のポストすなわちシャフト241に接続され、解析のために前記試料を所望角へ回転させるように前記コンピュータによって操作可能である。一実施例では、前記サーボモータは、シャフト241の位置情報を前記コンピュータに提供するエンコーダを備える。サーボモータ235は、図8に実線で示される角度方向から破線243で示される水平位置に試料236を回転させるように、駆動できる。
One embodiment of the tilted sample holder described above is shown in FIG. There, the tilted
ある光応用では、波長の約157ナノメートルのような極めて波長の短い光を用いることが望ましく、そのような波長は深紫外あるいはDUVと称されている。それ故、DUV光を用いる光学システムすなわち装置に使用される光学要素の特性を正確に決めることは重要である。そのような要素に、例えばスキャナーまたはステッパーのフッ化カルシウム(CaF2)レンズが挙げられる。複屈折すなわちリターダンスは、前記光学要素のそのような一特性である。光学要素のリターダンスは、光学材料および該材料を通り抜ける光の波長についての特性であるので、DUV光学装置で使用される光学要素のリターダンスを測定する装置は、DUV光信号を正確に検出し、処理するために、DUV光源および関連する構成部分で動作しなければならない。 In certain optical applications, it is desirable to use light with a very short wavelength, such as a wavelength of about 157 nanometers, such wavelength being referred to as deep ultraviolet or DUV. It is therefore important to accurately characterize the optical elements used in an optical system or apparatus that uses DUV light. Such elements include, for example, scanner or stepper calcium fluoride (CaF2) lenses. Birefringence or retardance is one such characteristic of the optical element. Since the optical element retardance is a property of the optical material and the wavelength of light passing through the material, an apparatus for measuring the optical element retardance used in a DUV optical apparatus accurately detects the DUV optical signal. In order to process, it must work with a DUV light source and associated components.
複屈折測定のような応用へのDUV光の使用に関連する一つの問題は、装置環境での酸素の、特に、光線経路での出現によるDUV光の吸収である。これに関し、酸素分子は、(水蒸気または微量炭水化物のような他の汚染物質と同様に)DUV光を吸収し、その結果、該光を減衰させ、前記試料の正確な複屈折測定をなすに必要な信号を低下させてしまう。装置環境からの酸素(他の汚染物質と同様に)の除去の一方法は、これを窒素(N2)で装置すなわち光経路から追い出すことである。 One problem associated with the use of DUV light for applications such as birefringence measurements is the absorption of DUV light by the appearance of oxygen in the device environment, particularly in the light path. In this regard, oxygen molecules absorb DUV light (as well as other contaminants such as water vapor or trace carbohydrates) and as a result attenuate the light and are necessary to make an accurate birefringence measurement of the sample. Will reduce the signal. One way to remove oxygen (as well as other contaminants) from the device environment is to drive it out of the device or light path with nitrogen (N 2 ).
図7の前記した傾斜試料ホルダは、酸素パージ光経路を必要とする装置に使用されるものとして、配慮されている。したがって、本装置には、図7および8に概略的に示されているように、伸縮自在の上方パージガス導出管254が設けられている。前記試料下には、同様に伸縮自在の下方パージガス導出管256が設けられている。
The tilted sample holder shown in FIG. 7 is considered to be used in an apparatus that requires an oxygen purge light path. Accordingly, the apparatus is provided with a telescopic upper purge
前記管254、256に供給されるガス圧力は、前記管から出るパージガスが前記各管と前記試料表面との間に介在する間隙に正圧を及ぼすように選択され、これによりDUV光線221の光経路へ酸素が侵入することを防止することができる。
The gas pressure supplied to the
一連の図7(a)−図7(c)には、試料236が図中左方から右方へ横切るに伴いどのように前記上方ガス導出管254が収縮し、また前記下方ガス導出管256が伸長するかが示されている。その図から、前記両パージガス導出管の端部は前記試料の表面に近接して維持され、それにより、前記管と前記試料との間に介在する間隙が前記両管から流れ出るパージガスの正圧に保持されることが分かるであろう。
7A to 7C show how the upper
図8を参照するに、調整可能のパージガス管254および256は、どのような方法によっても構成できる。一実施例では、伸縮可能の上方管254は、試料236およびホルダ234が内部に存在する通常封止された容積の頂壁105から突出して設けられている。供給管258は加圧されたパージガスを遠隔供給原から送給する。
Referring to FIG. 8, adjustable
前記上方管254の伸張部分260は前記管254に隣接して取付けられた線形アクチュエータ262に接続されている。前記アクチュエータ262は、コンピュータの制御下で、接続された伸長部分260を図8に矢印264で示される2つの反対方向へ伸張および収縮させるべく、動作可能である。下方の伸縮可能な管256は、コンピュータ制御を受ける線形アクチュエータ263により、同様に伸張され、また収縮される。
The
試料ホルダ234は、入射光線221に関して特定の角度で前記試料236を保持するように構成することができる。そのような例では、前記線形アクチュエータは、前記試料の横断に伴って該試料のそれぞれの表面に近接して前記管256、254の端部が保持されるように制御を受ける。例えば、図7では、前記線形アクチュエータは、該図の左方から右方へ前記試料が横断するに伴って前記上方254を徐々に収縮させ、また前記下方管256を徐々に伸長させるように、制御を受ける。
The
当業者は、前記試料を水平面から傾ける効果が前記試料を伝搬して通り抜ける光線の経路を変更できることにあることを理解するであろう。例えば、図9に示されているように、光学要素すなわち試料402(ここでは実線で示されているように水平方向に向けられた試料402)に衝突する垂直(すなわち0度の入射角)な光線の「インピンジング」(衝突)経路400は、前記インピンジング経路400に軸線が整列する「エマネイティング」(放出)経路に整列して前記試料から出る。したがって、前記光線は、この経路404に従い、前記装置の次の光学要素406に至る。
One skilled in the art will appreciate that the effect of tilting the sample from a horizontal plane is that it can change the path of rays that propagate through the sample. For example, as shown in FIG. 9, a vertical (ie, 0 degree incident angle) impinging on an optical element or sample 402 (here, sample 402 oriented horizontally as shown by the solid line). An “impinging” (collision)
試料402が(図9に破線で示されているように)角度θで傾けられている例では、光線のエマネイティング経路404は前記インピンジング経路から距離「D」だけ変位する。この変位「D」の大きさは、試料の屈折率、厚さおよび傾斜角θの関数である。
In the example where the
ある複屈折測定装置では、試料を横切る高い空間解像能で複屈折を測定することが望ましい。それ故、小径のビーム寸法および対応する高分解能を達成するために、比較的小さな開口が装置に使用される。例えば、小径開口は前記試料からエマネイティング経路404に沿って進行する光線を受ける検知器に近接して配置することができる。
In some birefringence measuring devices, it is desirable to measure birefringence with high spatial resolution across the sample. Therefore, relatively small apertures are used in the device to achieve small beam size and corresponding high resolution. For example, the small diameter aperture can be placed in close proximity to a detector that receives light traveling from the sample along the emanating
そのような装置では、試料を傾斜させまた光線のエマネイティング経路404に前記した変位「D」を与えるための機構が使用されており、エマネイティング経路404の光学要素が変位されたエマネイティング光線(または少なくともその光線の使用に適した部分)を受けるように、構成されかつ配置されていることは、前記した引き続く信号処理の点で重要である。これを成し遂げる一手法は、光線のインピンジング経路400にビーム直径寸法の開口を位置させることであり、そのような開口が前記光線の変位による影響を受けないことを保証する。
In such an apparatus, a mechanism is used to tilt the sample and apply the displacement “D” described above to the
また、最大振れ量「D」を予め決めることができるので、前記光学装置では、エマネイティング光線経路の変位量の如何に拘わらず、変位したエマネイティング光線経路の使用に適した部分を捕獲するに十分な寸法を有する開口をエマネイティング光線経路に設けることができる。これに関し、わずかに発散する光源が好ましい。捕獲された光線の前記した使用に適した部分は、光線全体に比較して極めて低い強度を有するが、この低強度の評価により正確な測定は十分に可能である。例えば、検出された光強度が変動する状況下でのリターダンスの決定には、前記したように検出されたAC(変調された)信号の前記DC(平均)信号に対する比が用いられる。 In addition, since the maximum shake amount “D” can be determined in advance, the optical device captures a portion suitable for use of the displaced emanating beam path regardless of the amount of displacement of the emanating beam path. An opening with sufficient dimensions can be provided in the emanating beam path. In this regard, a light source that diverges slightly is preferred. The portion of the captured light that is suitable for use as described above has a very low intensity compared to the entire light, but this low intensity assessment is sufficient for accurate measurements. For example, the ratio of the detected AC (modulated) signal to the DC (average) signal is used to determine the retardance under a situation where the detected light intensity varies.
(図7および8に関連して説明したように)前記試料が単一の軸線の周りに傾いているとき、エマネイティング光線経路404の変位は実質的に線形であり、単一の軸線方向である。この単一方向変位を考慮して矩形形状の開口を検知器(すなわち該検知器の作用面に向かう)に近接しかつ開口の長辺が前記光線の変位する方向(図7で「Y」軸)に沿った軸線に平行となるように配置して、使用することができる。そのような開口は、望ましくない非平行な光線が検知器に到達する量を制限するのに有用である。
When the sample is tilted about a single axis (as described in connection with FIGS. 7 and 8), the displacement of the emanating
図3に関連して説明した実施例では、PEMは試料から出た光線が通る光学要素の一つであり、これにより試料から出た光線は付加的な位相変調を受ける。したがって、図9の要素406は次に述べる目的のためのPEMであると考えられる。
In the embodiment described in connection with FIG. 3, the PEM is one of the optical elements through which the light beam exiting the sample passes, so that the light beam exiting the sample undergoes additional phase modulation. Accordingly,
発振PEM406によりエマネイティング(放出)光線404に導入された遅延の大きさは、前記PEMの光学要素上の所定位置からの前記エマネイティング光線の変位量「D」に多少依存して変化する。例えば、前記PEMの光学要素(図9に符号408で示されている)が2つのトランスデューサ410間に据え付けられ、該両トランスデューサーで駆動されるとき、前記光学要素408の中心を通る光線に付与される遅延の大きさは、中心から量「D」だけ変位した光線に付与される遅延よりもわずかに大きい。
The magnitude of the delay introduced by the oscillating
前記したように、振れの量「D」は容易に決定され、PEM406により付与された遅延の変化量は重要であり(「誤差」量)、この誤差を決定し前記した適切な方程式に用いることができる。例えばPEM光学要素408の長さ「L」(両トランスデューサー410間)および光線変位「D」のために遅延誤差量は比2D/Lの関数になるであろう。
As noted above, the amount of run-out “D” is easily determined, and the amount of delay change imparted by the
また、前記誤差は、「D」の種々の増分に関して実験的に決定することができ、また全般的な信号処理に関連するファームウエアの参照テーブルに蓄積しておくことができると考えられる。前記試料ホルダの角度位置に関する情報(前記したサーボモータおよびエンコーダ装置から生じる)は、現変位「D」の決定のために制御しているコンピュータで用いることができ、また前記現変位は、これに関連する前記した遅延誤差に至る前記参照テーブルの参照に用いることができる。 It is also contemplated that the error can be determined empirically for various increments of “D” and can be stored in a firmware lookup table related to general signal processing. Information about the angular position of the sample holder (resulting from the servo motor and encoder device described above) can be used in the computer controlling for the determination of the current displacement “D”, and the current displacement is It can be used to refer to the look-up table leading to the related delay error.
本発明を好適な実施例に関して説明したが、当業者は前記した教示と精神から離れることなく変更することができることを理解できよう。 Although the present invention has been described with reference to preferred embodiments, workers skilled in the art will recognize that changes may be made without departing from the teachings and spirit described above.
10、310 垂直ソースモジュール
12、312、512、612 垂直検出モジュール
14、314 斜めソースモジュール
16、316、516 斜め検出モジュール
20、220、322、422 光源
22、222、324、424 偏光子
24 光学要素
25、225、326、328、426、428 光弾性変調器(PEM)
26、236 試料
28、234 試料ホルダ
30、230 ビーム分割ミラー
32、50、232、250、332、432 検出装置
42、74、330、430 検光子
44、76、344、444 検知器(フォトダイオード)
77 フィルタ
84 制御器
80、280、340、342、440、442 ロックインアンプ
90 コンピュータ
510、610 単一ソースモジュール
512 単一検出モジュール
514、616 分流器
518、618 ミラー
620 収束器
10, 310
26, 236
77
Claims (30)
互いに角度的に分離された2つの光線を以てして前記試料内のある位置を通過させるステップと、
前記位置を通過した前記2つの光線の特性を検出するステップと、
前記試料の面外複屈折を算出するために検出された前記特性を用いるステップとを含む、面外複屈折の決定方法。 A method for determining out-of-plane birefringence of a transparent sample,
Passing a position in the sample with two rays angularly separated from each other;
Detecting the characteristics of the two rays that have passed through the position;
Using the detected property to calculate out-of-plane birefringence of the sample.
少なくとも一つの光源と、
角度的に分離された2つの光線が前記試料内の共通する位置を通過するように前記光源に関連する分岐手段と、
前記試料の前記面外複屈折の算出に使用するために前記位置を通過した前記両光線の特性を検出する検出手段とを含む、光学装置。 An optical device for measuring out-of-plane birefringence of a transparent sample,
At least one light source;
Branching means associated with the light source so that two angularly separated beams pass through a common location in the sample;
An optical device comprising: detection means for detecting characteristics of the two light beams that have passed through the position for use in calculating the out-of-plane birefringence of the sample.
前記試料のある位置での面内複屈折を決定するステップと、
前記試料の前記位置での前記外面に傾斜する角度で前記試料内に伝搬する光に影響を与える遅延特性を決定するステップと、
決定された面内複屈折および遅延特性の関数として、面外複屈折を算出するステップとを含む面外複屈折の測定方法。 A method for measuring out-of-plane birefringence of a transparent sample having an outer surface,
Determining in-plane birefringence at a location of the sample;
Determining a delay characteristic that affects light propagating in the sample at an angle inclined to the outer surface at the position of the sample;
Calculating out-of-plane birefringence as a function of the determined in-plane birefringence and retardation characteristics.
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