JP2007040715A - マイケルソン光干渉計、この光干渉計を用いた熱膨張計及び熱膨張量測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高感度、かつ高精度なマイケルソン光干渉計及びこのマイケルソン光干渉系を用いた熱膨張計を提供する。
【解決手段】 マイケルソン干渉計を、レーザー発振器２１と、このレーザー発振器２１から発せられ、試料面Ｓ１及び基準面４５１でそれぞれ反射したレーザー光Ｌ１１、Ｌ１２を相互に干渉させ、その干渉光Ｌ４を照射面２８に照射して複数の明暗パターンからなる干渉縞Ｉを生じさせる干渉縞発生手段とを有するマイケルソン光干渉計において、レーザー発振器４１と干渉縞発生手段との間に光路差発生手段２４を設け、この光路差発生手段２４に入射された各レーザー光Ｌ１１、Ｌ１２を基準面２５１及び試料面Ｓ１との間で４往復させるように光路差発生手段２４を構成し、この光路差発生手段２４からレーザー光Ｌ１１、Ｌ１２を干渉させるように構成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、マイケルソン光干渉計、この光干渉計を用いた熱膨張計及び熱膨張量測定方法に関する。

試料の熱膨張量を測定するものとして、押し棒式の熱膨張計がある。これは、試料を可動式の棒で固定して試料を加熱し、試料の熱膨張に伴って移動した押し棒の移動距離を作動トランスによって検出し、熱膨張量を測定するものである。この熱膨張計は、作動トランスの検出感度が０．１μｍ程度であるので、熱膨張量がそれより小さい材料を測定することはできない。そこで、光の干渉現象を利用してより高感度に熱膨張量を検出できるマイケルソン光干渉計を用いた熱膨張計が知られている。（例えば、特許文献１参照）

この熱膨張計は、試料面で反射するレーザー光と基準面で反射するレーザー光との間に試料長Ｌの４倍の光路差が生じるように構成されている。試料が加熱されてｄＬ（ｄＬは膨張量を示す）膨張すると、それに伴って移動した試料面で反射するレーザー光と基準面で反射するレーザー光との間において４（Ｌ＋ｄＬ）の光路差が生じ、光路差が生じたこれらのレーザー光を重ねて干渉縞を発生させ、この干渉縞の移動距離から、熱膨張量ｄＬを算出できる。この熱膨張計は、試料の熱膨張量ｄＬを４倍にして検出するため、検出感度が１ｎｍ、測定精度が２０ｎｍと高感度かつ高精度であり、熱膨張係数が低い（〜±４０×１０^−９／Ｋ程度）材料も測定できる。
特許２５１９４１１号（例えば、特許請求の範囲の記載）

ところで、現在、集積回路の高集積化に伴って極細配線を形成することができるＥＵＶリソグラフ装置の開発が進められており、このＥＵＶリソグラフ装置に用いられる常温付近の熱膨張係数が非常に低い（±４０×１０^−９／Ｋ未満）低熱膨張ガラスも、開発が進められている。このガラスの開発にあたって、試料を特別に長くしなくても非常に小さい熱膨張量を正確に検出できる熱膨張計が求められている。

本発明は、かかる問題点に鑑み、より高感度で、かつ高精度なマイケルソン光干渉計及びこのマイケルソン光干渉計を用いた熱膨張計、熱膨張量測定方法を提供しようとするものである。

請求項１記載のマイケルソン干渉計は、レーザー発振器と、このレーザー発振器から発せられ、２つに分けられたレーザー光を試料面及び基準面でそれぞれ反射させて光路差を発生させる光路差発生手段と、光路差を生じた２つのレーザー光を相互に干渉させ、その干渉光を照射面に照射して複数の明暗パターンからなる干渉縞を生じさせる干渉縞発生手段とを有するマイケルソン光干渉計において、この光路差発生手段に入射された２つのレーザー光を基準面及び試料面との間で４往復させるように光路差発生手段を構成したことを特徴とする。

光路差発生手段に入射された各レーザー光を基準面及び試料面との間で４往復させると、試料長の８倍の光路差が生じる。従って、本発明の光干渉計は、従来のマイケルソン光干渉計に比べて感度が２倍になる。

試料長の８倍の光路差を生じさせるためには、前記光路差発生手段を、レーザー発振器と試料との間に順次設けたプリズムと、第１乃至第４の偏光ビームスプリッターと、４分の１波長板とから構成し、第１の偏光ビームスプリッターは、レーザー発振器からのレーザー光を、４分の１波長板を経て試料面及び基準面に到達するように反射させる第一の偏光面を有し、第２の偏光ビームスプリッターは、試料面及び基準面で反射し、４分の１波長板、第一の偏光面を経て、プリズムで反射したレーザー光を透過させると共に、４分の１波長板を経て試料面及び基準面で反射し、再度４分の１波長板を経たレーザー光を第３の偏光ビームスプリッターに到達するように反射させる第２の偏光面を有し、第３の偏光ビームスプリッターは、第２の偏光面を経たレーザー光を、４分の１波長板を経て試料面及び基準面に到達するように反射させる第３の偏光面を有し、第４の偏光ビームスプリッターは、試料面及び基準面でそれぞれ反射し、４分の１波長板、第３の偏光面を経てプリズムで反射したレーザー光を透過させると共に、４分の１波長板を経て試料面及び基準面で反射し、４分の１波長板を経たレーザー光を干渉縞発生手段に到達するように反射する第４の偏光面を有するようにすればよい。

また、請求項３記載の熱膨張計は、前記したマイケルソン光干渉計と、試料を加熱する加熱手段と、干渉縞発生手段に接続され、前記照射面に基準位置を有し、前記干渉縞の複数の明暗のパターンにより生ずる照射面上の面内光強度分布を電気信号に変換して干渉縞位置信号手段として出力する光電変換手段と、該光電変換手段に接続され、ひとつの山の前記基準位置との間の距離と、前記基準位置を通過する山の積算数と、山と山との間隔と、前記レーザー光の波長とから試料の熱膨張量又は収縮量を算出する算出手段とを備えることを特徴とする。

前記したマイケルソン光干渉計が、試料長の８倍の光路差が生じさせ、熱膨張量も８倍にして検出できることから、本発明の熱膨張計は、従来の熱膨張計に比べて感度が２倍になっており、従来測定することができなかった非常に熱膨張量が小さい材料であってもその熱膨張量を検出することができる。また、光電変換手段及び算出手段を備えることにより、自動的に、かつ正確に熱膨張量を算出することが可能である。

ところで、上記熱膨張計は非常に高感度なマイケルソン光干渉計を備えているので、測定時における測定誤差を減らせば、高精度に熱膨張量の測定を行うことが可能である。そこで、前記レーザー発振器に、レーザー発振器の外壁の温度を一定に保持する恒温手段を設けておけば、光の波長変動の原因であるレーザー光のドップラー幅内での変動を減少させることができる。その結果、測定誤差が減り、高精度な測定が可能となる。

前記レーザー発振器と光路差発生手段との間で光路上に減光フィルターを設けておけば、レーザー光の強度が低減されるため、レーザー光を試料に照射した場合にレーザー光によって局所的に試料が加熱されることで生じる試料表面の温度ムラが生じない。その結果、測定誤差が減り、より高精度な測定を行なうことが可能となる。

前記レーザー発振器、前記光路差発生手段、前記干渉縞発生手段を収納した気密性を有する光学室と、加熱手段を備えた試料室とを互いに隔てて備えれば、試料室の温度変化による試料室自体の熱変形の影響を光学室が受け難くなることで、測定誤差を減少させ、高精度な測定を行うことが可能である。

この場合に、光学室の底部に下方に向かって突出した支持枠を設け、その支持枠内に試料室を設置すれば、光学室に生じる歪などの影響が筐体に伝わないので、光学室内の光路の変動に起因した測定誤差が減少し、高精度な測定を行うことが可能となる。

この光学室内部の温度を一定に保持する他の恒温手段を光学室の壁部に設けることも好ましい。光学室内部を一定温度に保持することで、光学部品の温度変動に起因する測定誤差が減り、高精度な測定をすることが可能である。

さらに、試料が載置され、基準面を構成する載置台を備えることが好ましい。試料を基準面である載置台に載置することにより、試料を固定するための機械的揺らぎによる測定誤差を減らし、より高精度な測定を行なうことが可能である。

前記光学室の上部に設けられた光学室内にヘリウムガス雰囲気を形成するガス導入手段と、光学室の底部に設けられた光学室内の空気を排出する排気口とを備えることが好ましい。光学室内にヘリウムガス雰囲気を形成すると、ヘリウムガスが高い熱伝導率を有するために光学部品の温度を均一に保持でき、また、真空に最も近い屈折率を有していることから、光の屈折率・透過率等の変動に起因する光路の変動が低減され、測定誤差を減らしてより高精度な測定をすることが可能となる。

前記加熱手段を、載置台の下方に設けた第１のヒーターと、試料の周囲に設けた第２のヒーターとから構成すれば、試料を側面及び底面から同時に加熱して測定誤差の原因である試料表面の温度分布の不均一性を減少させることができる。

また、前記第一のヒーターを、熱電素子から構成してもよい。この熱電素子は、試料の加熱だけでなく測定温度範囲を下げる場合の試料の冷却を行うこともできるので、試料室に冷却用寒剤の循環系を設ける必要がない。さらに、室温付近での温度制御を容易にかつ精度よく行うことができるので、室温付近でより精密に熱膨張量を測定することができる。

試料室についても、前記試料室の側壁温度を一定に保持する側壁恒温手段をその側壁に設けることができる。試料室側壁の温度を一定に保持することで、試料室側壁の温度変動に起因する光路の変動を低減させ、測定誤差を減らすことが可能である。

本発明の熱膨張量測定方法は、レーザー発振器から発するレーザー光を２つにわけ、２つのレーザー光の間に光路差を生じさせる光路差発生手段に入射して、一方のレーザー光を試料が載置された基準面と光路差発生手段との間で４往復させ、他方のレーザー光を試料面と光路差発生手段との間で４往復させ、両レーザー光を重ねて干渉させ干渉縞を発生させ、その後、測定対象である試料を加熱して膨張させ、膨張により試料面が移動したことに伴った干渉縞の移動量から熱膨張量を算出することを特徴とする。

本発明の光干渉計、この光干渉計を用いた熱膨張計及び熱膨張量測定方法は、高感度で、かつ測定誤差が少なく高精度であることから、熱膨張量の正確な測定が可能であるという優れた効果を奏する。

図１乃至図３を参照して説明すれば、１は、本発明のマイケルソン干渉計を用いた熱膨張計である。この熱膨張計１は、光学室２としての筐体３と、筐体３の下面に設けた試料室４とを、枠台５に設置して構成されている。

後述するレーザー発振器２１、光路差発生手段２４及び干渉縞発生手段が収納される光学室２を構成する筐体３は、アルミなどの熱伝導率の大きい材料から構成され、気密性が保持されるようにしている。筐体３にはまた、光学室２内部の温度を一定に保持する恒温手段３１が設けられている。恒温手段３１は、筐体３の壁面内にその全体に亘って蛇行させて形成した水路（図示せず）を有し、この水路の流入部、流出部が水管３１１を介して図示しない流水ポンプ、加熱ヒーター及び冷却機を具備した恒温水源に連通し、筐体３の壁面全体に亘って所定温度の恒温水を循環させることで光学室２内部の温度を一定に保持する。

筐体３の上面には、光学室２を臨む上面視略長方形の開口が形成され、開口は、開閉自在な蓋部３３によって覆われている。この場合、蓋部３３にも水路を設け、この水路の流入部、流出部が水管３３１を介して図示しない上記と同一の恒温水源に連通させている（図２参照）。

また、蓋部３３には、光学室２内への所定のガスの導入を可能とするガス導入手段３２が設けられている。ガス導入手段３２は、一端が、ガス圧調節器を介して図示しないガス源（図示せず）に連通したガス管３２１を有し、その他端は、蓋部３３の上部に接続され、一定の流量で所定のガスを光学室２内に所定のガスを導入できるようになっている。

そして、ガス導入手段３２を介して所定のガスを光学室２に導入し、筐体３の底面に設けた排気口（図示せず）から光学室２内に残留する空気を押し出して、光学室２内にガス雰囲気を形成する。所定のガスとしては、熱伝導率が大きく、かつ空気より屈折率が小さいものであればよい。例えば、真空の屈折率に最も近いヘリウムガスがあげられる。ヘリウムガスのように空気より軽いガスを導入する場合には、筐体３の底面に排気口を設けることで空気を排出できるが、空気より重いガスを導入する場合には、排気口を筐体３の上部に設けて光学室２内に残留する空気を押し出すようにする。これにより、後述するレーザー発振器２１からのレーザー光Ｌ１の屈折に起因した測定誤差の発生を防止できる。

図３に示すように、試料室４は次のように配置されている。即ち、筐体３の底面には、後述する光路差発生手段２１の下方に位置させて上面視円形の開口が形成され、この開口を臨む支持枠４１が筐体３の底面に取付けられている。支持枠４１は、開口の周縁の外側であって、その周方向に沿って所定の間隔を置いてボルトＢ１によってボルト止めした複数の支柱４１１と、各支柱４１１の下端面に、筐体３の底面と平行になるようにボルトＢ２によってボルト止めした支持板４１２とから構成され、支持板４１２には中央開口が形成されている。これらの支柱４１１は、熱膨張率が低い材料、例えば、インバー等の合金から製作されている。

支持板４１２上には、中空円筒形状に成形されかつその両端に水平方向外側に延びるフランジを形成した側壁４２と、中央開口より径が大きい上面視円形の底板４３とがボルトＢ４を介して設置されている。この場合、側壁４２の高さは、一端を支持板４１２に設置したとき、その他端のフランジが筐体３の底面と略面一となるように設定されている。また、側壁４２の上面には、光学室２との隔絶を可能とするように、ボルトＢ３によって天板３４が取付けられ、支持板４１２に載置した側壁４２、底板４３及び天板３４によって密閉された空間を有する試料室４が形成される。

そして、試料室内での光路差の変動を防ぐために、図示しないドライポンプなどの真空排気手段を試料室４に接続し、その内部を任意の真空度に保持できる。これにより、光の屈折の影響を軽減すべく試料室４内を真空排気したときに、側壁４２、底板４３及び天板３４に生じる歪などの影響が筐体３に伝わないので、光学室２内の光路の変動に起因した測定誤差の発生が防止される。このことと試料室４を真空にすることとが相俟って、より高精度な測定を行うことが可能となる。

側壁４２には、側壁４２の温度を一定の温度に保持して熱膨張を防止するための恒温手段４２１を設けている。この恒温手段４２１は、側壁内にその全体に亘って蛇行させて形成した水路４２２を有し、この水路の流入部、流出部が水管を介して流水ポンプ及び加熱ヒーターを具備した恒温水源（図示せず）に連通し、筐体３の壁面全体に亘って所定温度の恒温水を循環できるようになっている。

天板３４の中央部には開口が設けられ、この開口には、光路差発生手段４１からのレーザー光の透過を可能にする第１の光学窓３４１が装着されている。この第１の光学窓３４１は、例えば石英製であり、試料室の気密性の確保と、レーザー光の透過とを可能にしている。

試料室の底板４３には、冷却手段４３１を内蔵し、この底板４３上には、第１の平板４３２と、加熱手段としての第１のヒーター４４を内蔵した第２の平板４４１とが積み重ねられている。第１のヒーター４４は、マイカ板で絶縁したニクロムヒーターであり、調温機能を有する。冷却手段４３１としては寒剤を用いることができ、寒剤としては、液体窒素や不凍液が用いられ、底板４３を循環させて冷却できるようになっている。

第二の平板４４１には、試料Ｓが載置される載置台４５が載置されている。試料Ｓを載置台４５に載置することにより、試料Ｓを固定するための機構の機械的揺らぎによる測定誤差を減らすことが可能である。上面視において円形の載置台４５は低膨張ガラスから構成され、その上面には金膜が形成されており、この載置台の上面が基準面４５１を構成している。

試料Ｓは、中実円筒形状に形成され、ゼロデュア（商品名）、ＵＬＥ（商品名）等の低膨張ガラス製であり、その上面には金膜が形成され、この金膜が試料面Ｓ１を構成する。この場合、試料Ｓの直径は、７．５〜８．０ｍｍであり、試料長（載置面からの高さ寸法）は特に限定されるものではなく、試料の熱膨張量が大きければ、試料長を小さくして測定することができる。従来測定することができなかった非常に熱膨張量の小さい材料であれば、その試料長は好ましくは２０〜２５ｍｍである。２５ｍｍより長いと、試料Ｓを加熱したとき、その高さ方向に沿って温度分布が均一になり難く、他方で、２０ｍｍより短いと熱膨張量を検出し難く、測定誤差の原因となる。また、後述する第２のヒーター４６の高さを変えることで、例えば、５０ｍｍ以上の試料長で測定することも可能である。尚、試料Ｓの両端面の平面性はλ／１０以下（λはレーザー光の波長）、かつ平行度は５秒以下であることが望ましい。試料Ｓは、光路差発生手段２４からのレーザー光が、試料面Ｓ１及び基準面４５１でそれぞれ反射するように位置決めして載置台４５に載置される。

また、第２の平板４４１上には、試料Ｓを含む載置台４５の周囲を囲うように中空円筒形状の加熱手段としての第２のヒーター４６が設けられている。第２のヒーター４６は、例えばニクロムシースヒーターであり、調温機能を有する。第１及び第２のヒーター４４、４６を有すると、試料Ｓを側面及び底面から同時に加熱することができ、試料Ｓ全体に亘って均等に昇温させることで温度むらの発生が防止され、ひいては、測定誤差が生じることを防止できる。第２のヒーター４６の上面には中央部に開口を設けた取り外し可能な蓋体４６１が装着されている。

上記のように、冷却手段４３１を設けておけば、例えば、試料Ｓの常温付近を含む広い温度範囲で熱膨張率を測定する場合、不凍液を循環させて試料を一旦−２０℃程度まで冷却した後、加熱しつつ、広い温度範囲で試料の熱収縮量を測定できる。また、第１及び第２のヒーター４４、４６により試料室４が加熱されすぎた場合に、試料室４内の温度を調節できる。

ところで、第１及び第２のヒーター４４、４６を設けた場合、試料室４自体が加熱される場合がある。このため、底板４３上には、第１及び第２のヒーター４４、４６の周囲を囲うように銅製の遮熱筒４７が設けられ、遮熱筒４７の開口した上面には、レーザー光の透過を可能にする開口を設けた蓋体４７１が装着されている。蓋体４７１も銅製であり、試料近傍の熱が試料室４内に拡散するのを防止する。尚、より断熱性を高めるために、遮熱筒４７と蓋体４７１とを同心に複数配置することもできる。

図４に示すように、光学室２を構成する筐体３には、レーザー光Ｌ１を、一定の出力（例えば７ｍＷ）で連続発振するヘリウム・ネオンレーザー発振器２１（波長６３２．８ｎｍ）が設けられている。この場合、レーザー発振器２１からのレーザー光Ｌ１は、入射面に対して平行に直線偏光している。

レーザー発振器２１には、レーザー発振器２１の温度を一定に保持するための恒温手段２１１が設けられている。恒温手段としては、例えば、レーザー発信器２１の外壁に恒温水循環系を設けることがあげられる。これにより、光の波長変動の原因であるレーザー光のドップラー幅内での変動が減少して、測定誤差が減り、高精度な測定が可能となる。

レーザー発振器２１から発せられたレーザー光Ｌ１は、透過率が約３％の減光フィルター２２を通過する。この減光フィルター２２を通過することで、レーザー光Ｌ１の強度が弱くなり、レーザー光を試料に照射した際に、レーザー光によって局部的に試料が加熱されることが防止でき、ひいては測定誤差が生じることが防止できる。

減光フィルター２２を通過後、レーザー光Ｌ１は、レーザー光Ｌ１の進行方向に対して入射角が４５度になるように配置した平面鏡２３に到達する。平面鏡２３は、レーザー光Ｌ１が入射する前面の反射率が５０パーセント、裏面の反射率が１００パーセントとなるように、前面及び裏面に所定の薄膜を形成した石英から構成されている。これにより、レーザー光Ｌ１が平面鏡２３によって互いに平行な２つのレーザー光Ｌ１１とＬ１２とに分割される。

即ち、レーザー光Ｌ１は、平面鏡２３の表面で反射して進行方向を水平方向に９０度向きを変えるレーザー光Ｌ１１と、この表面に入射し屈折して進み、平面鏡２３の裏面で反射された後に表面を再度透過して、レーザー光Ｌ１１と平行であるレーザー光Ｌ１２とに分割される。分割された各レーザー光Ｌ１１、Ｌ１２は、光路差発生手段２４にそれぞれ入射される。

図５に示すように、光路差発生手段２４は、第１乃至第４の各偏光ビームスプリッター２４１ａ〜２４１ｄを有する。第１乃至第４の各偏光ビームスプリッター２４１ａ〜２４１ｄは、１０ｍｍ角のキューブ型のものであり、入射面に対して平行な直線偏光のみ反射可能な偏光面Ｈａ〜Ｈｄを有し、直方体を形成するように相互に接合されている。相互に接合された第１乃至第４の各偏光ビームスプリッターの上面には、１個の直角プリズム２４２が接合され、その下面には１枚の４分の１波長板が接合されている。

図６（ａ）に示すように、光路差発生手段に入射したレーザー光Ｌ１１、Ｌ１２は、偏光ビームスプリッター２４１ａに対し垂直に入射する。そして、２４１ａ内部の平行な直線偏光のみ反射する偏光面Ｈａで鉛直下方向に反射し、偏光ビームスプリッター２４１ａの下に接合された４分の１波長板２４３を通過する。４分の１波長板２４３を通過すると、レーザー光Ｌ１１及びＬ１２はそれぞれ進行方向に対して左回りの円偏光となる。

左回りの円偏光となったレーザー光Ｌ１１は、基準面４５１上に載置されている試料Ｓの試料面Ｓ１に到達する。他方で、同じく左回りの円偏光となったレーザー光Ｌ１２は、基準面４５１に到達する。

試料面Ｓ１及び基準面４５１に到達したレーザー光Ｌ１１、Ｌ１２は、図６（ｂ）に示すように、それぞれ試料面Ｓ１及び基準面４５１で鉛直上方に反射する。この場合に、レーザー光Ｌ１２は、レーザー光Ｌ１１に比べて試料長の２倍長い光路を得る。進行方向が鉛直上方向になった各レーザー光Ｌ１１、Ｌ１２は、円偏光の向きは変わらないので、進行方向からみると、右周りの円偏光となっている。このレーザー光Ｌ１１、Ｌ１２が４分の１波長板２４３を通過すると、入射面に対し水平な（偏光面に対しては垂直面内の）直線偏光になる。通過したレーザー光Ｌ１１、Ｌ１２は偏光ビームスプリッター２４１ａに入射するが、この偏光ビームスプリッター２４１ａの偏光面Ｈａで反射されるのは、入射面に対して平行な直線偏光だけであるので、レーザー光Ｌ１１及びＬ１２は、反射されずに偏光面Ｈａ及び偏光ビームスプリッター２４１ａを通過して、偏光ビームスプリッター２４１ａ上に存在する直角プリズム２４２に入射する。入射したレーザー光Ｌ１１、Ｌ１２は、レーザー光Ｌ１１、Ｌ１２に対して入射角４５°の角度で存在する直角プリズムの斜面２４２ｒで反射して、対向する斜面２４２ｌに向かい、さらにこの斜面２４２ｌで反射して、鉛直下方向に屈折する。

斜面４４２ｒ及び４４２ｌで反射したレーザー光Ｌ１１、Ｌ１２は偏光ビームスプリッター２４１ｂに入射する。レーザー光Ｌ１１、Ｌ１２は、偏光面Ｈｂに対して垂直な直線偏光であるので、偏光ビームスプリッター２４１ｂ内部にある偏光面Ｈｂを透過して、偏光ビームスプリッター２４１ｂを通過した後、４分の１波長板２４３を通過して右回りの円偏光となる。右回りの円偏光となったレーザー光Ｌ１１は基準面４５１に載置されている試料Ｓの試料面Ｓ１に到達し、同じく右回りの円偏光となったレーザー光Ｌ１２は基準面４５１に到達する。

試料面Ｓ１及び基準面４５１に到達したレーザー光Ｌ１１、Ｌ１２は、図６（ｃ）に示すように、それぞれ試料面Ｓ１及び基準面４５１で鉛直上方に反射する。この場合に、レーザー光Ｌ１２は、Ｌ１１に比べて試料長の２倍長い光路差を得るので、図６（ｂ）で得た光路差と合せると試料長の４倍の光路差を得たことになる。

これらのレーザー光Ｌ１１及びＬ１２は、進行方向が鉛直上方に変わることから、左回りの円偏光となり、４分の１波長板２４３を通過することで、入射面に対して平行な直線偏光となり、偏光ビームスプリッター２４１ｂに入射すると、偏光面Ｈｂで反射して水平方向に９０°向きを変え、偏光ビームスプリッター２４１ｃに入射する。偏光ビームスプリッター２４１ｃに入射すると、レーザー光Ｌ１１、Ｌ１２はそれぞれ偏光面Ｈｃで反射して鉛直下方向に屈折し、４分の１波長板２４３を通過して左回りの円偏光となり、試料面Ｓ１及び基準面４５１に到達する。

到達したレーザー光Ｌ１１及びＬ１２は、図６（ｄ）に示すように、試料面Ｓ１及び基準面４５１で反射し、レーザー光Ｌ１２がさらに試料長の２倍の光路差を得る。反射したレーザー光Ｌ１１及びＬ１２は、右周りの円偏光となって再度４分の１波長板２４３を通過して、入射面に対して垂直な直線偏光となって、偏光面Ｈｃを通過すると共に、偏光ビームスプリッター２４１ｃを通過して、その上方に存在する直角プリズム２４２に入射する。そして、レーザー光Ｌ１１、Ｌ１２は直角プリズムの斜面２４２ｌで反射して対向する斜面２４２ｒで反射し、偏光ビームスプリッター２４１ｄに入射する。２４１ｄに入射したレーザー光Ｌ１１、Ｌ１２は、偏光面Ｈｄを通過して、４分の１波長板２４３を通過し、試料面Ｓ１及び基準面４５１に到達する。

到達したレーザー光は、図６（ｅ）に示すように、試料面Ｓ１及び基準面４５１で反射し、レーザー光Ｌ１２がさらに試料長の２倍の光路差を得、合計で試料長の８倍の光路差を得ることができる。反射したレーザー光Ｌ１１及びＬ１２は右回りの円偏光となり、４分の１波長板２４３を通過して入射面に対して平行な直線偏光となり、偏光ビームスプリッター２４１ｄに再び入射し、偏光面Ｈｄで反射して偏光ビームスプリッター２４１ｄを通過するとともに光路差発生手段２４を通過する。光路差発生手段を通過したレーザー光Ｌ１１、Ｌ１２は、各偏光ビームスプリッター２４１ａ〜２４１ｄと試料Ｓの試料面Ｓ１及び基準面４５１との間をそれぞれ１往復して試料長の２倍の光路差が生じたので、両レーザー光の間には、合計で試料長の８倍の光路差が生じている。

光路差発生手段２４を通過して試料長の８倍の光路差が発生したレーザー光Ｌ１１、Ｌ１２は、レーザー光Ｌ１１、Ｌ１２の進行方向に対して入射角４５°となるように配置した表面の反射率が１００パーセントである金鏡２５の表面でそれぞれ反射して、水平方向に９０°向きを変える。

金鏡４５で反射した各レーザー光Ｌ１１、Ｌ１２は、くさび型鏡４２６の表面に到達する。くさび型鏡は、レーザー光Ｌ１２が平面鏡中を１往復したときに生じるレーザー光Ｌ１１との間の光路差を相殺する補償板としての役割を果たすものであり、レーザー光が入射する前面及び裏面がそれぞれ僅かな傾きを有し、各面の反射率が５０％になるように形成したものである。レーザー光Ｌ１２は、くさび型鏡２６の表面を透過する。レーザー光Ｌ１１は、くさび型鏡２６の表面を透過した後、裏面及び表面で反射し、くさび型鏡２６を通過して、レーザー光Ｌ１２と後述する照射面２８上で交わる。

レーザー光Ｌ１１、Ｌ１２は、直径が２ｍｍほどの小ささなので、シリンドリカル凹レンズ２７で拡大した後に、照射面２８に設けたＣＣＤラインセンサ（図示せず）面上で互いに交わって干渉縞Ｉを生じさせる。干渉縞Ｉは、くさび型鏡２６を通過することでレーザー光Ｌ１１、Ｌ１２がＣＣＤラインセンサ面上で鋭角に重なって生じたものであるので、縦縞の干渉縞となる。レーザー光Ｌ１１とレーザー光Ｌ１２との間には、熱膨張量を含む試料Ｓの試料長の８倍の光路差が生じており、この干渉光Ｌ２を照射面２８に当てて生じた干渉縞Ｉから光路差を測定することができるので、本発明の熱膨張計１は非常に感度が高い。

ＣＣＤラインセンサによって検出した干渉縞Ｉは、ＣＣＤラインセンサに接続された駆動回路（図示せず）により、照射面２８上に設けた基準位置からの干渉縞の距離に対応して、面内光強度分布に応じた振り幅の電気信号に変換して干渉縞位置信号として出力する。

出力された干渉縞位置信号は、駆動回路に接続された図示しないマイクロコンピューターに送信され、公知の方法によって、干渉縞位置信号から、試料の膨張量又は収縮量を算出する。算出した熱膨張量又は収縮量は、マイクロコンピューター内に蓄積され、ディスプレイに表示される。

尚、本実施の形態では、光路差発生手段２４を上記のように構成したが、試料長の８倍の光路差を得られるものであれば、その形態は問わない。また、本実施の形態では試料長の８倍の光路差を設けることができたが、この光路差を試料長の１６倍とすることも可能である。例えば、光路差発生手段２４を通過したレーザー光Ｌ１１、Ｌ１２の光路上に金鏡などを配置して、レーザー光Ｌ１１、Ｌ１２を再度光路差発生手段に入射させて光路を逆戻りさせれば、試料長の１６倍の光路差を得ることができる。

また、本実施の形態では、第１の加熱手段として、ニクロムヒーターを用いたが、例えばペルチエ素子を用いた公知の構造の熱電素子を設けて第１の加熱手段を構成してもよい。ペルチエ素子は、試料Ｓの加熱と冷却とを行うことができるので、冷却手段４３１を設ける必要がない。従って、熱膨張計１の構造をより簡単できる。また、温度制御が容易である。

ただし、ペルチエ素子を用いる場合には、ペルチエ素子を接合する接合材が熔解してしまうため、１４０℃以上で測定することができない。しかしながら、常温での熱膨張量を正確に測定する場合、例えばＥＵＶリソグラフ装置に用いる低熱膨張ガラス材の熱膨張量の測定をする場合には、測定温度範囲は、室温程度でよいので、ペルチエ素子を用いた熱膨張計により非常に細かく熱膨張量を測定できる。

以下、本発明の熱膨張量測定方法について説明する。

はじめに、試料Ｓを所定の形状に構成した後に、光学室の載置台４５に載置する。そして、光学室２にヘリウムガスをガス導入手段３２により導入し排気口から空気を押し出して光学室２内部にヘリウムガス雰囲気を形成し、試料室４を真空排気して試料室を真空に保つと共にレーザー発振器２１を励起してレーザー光Ｌ１を発する。この場合に、各保温手段４２１、３１、２１１から恒温水を循環させて試料室４、光学室２、レーザー発振器２１の各温度を一定として、測定誤差を減少させる。

このレーザー光Ｌ１は、減光フィルター４２を通過して光の強度を低減しながら、平面鏡２３で２つのレーザー光Ｌ１１及びＬ１２にわける。これらの２つのレーザー光は光路差発生手段４４、即ち、偏光ビームスプリッター２４１ａに入射して、レーザー光Ｌ１１を試料が載置された基準面４５１と光路差発生手段４４との間で４往復させ、レーザー光Ｌ１２を試料面Ｓ１と光路差発生手段４４との間で４往復させる。これにより、レーザー光Ｌ１２は試料長の８倍の光路差を得て、レーザー光Ｌ１１、Ｌ１２を照射面４８で干渉させて、干渉縞Ｉを発生させる。その後、試料Ｓを第１及び第２のヒーター４４、４６により測定温度範囲の下限まで加熱して膨張させて試料面Ｓ１を移動させて、干渉縞を移動させて、この干渉縞Ｉの移動量から公知の方法で熱膨張量を算出する。このような測定を第１及び第２のヒーター４４、４６により加熱を続けながら所望の測定温度範囲で行なうことで、試料Ｓの熱膨長量を正確に測定する。

本発明のマイケルソン光干渉計及びこのマイケルソン光干渉計を用いた熱膨張計、熱膨張測定方法は、非常に高感度であるので、熱膨張量が１ｎｍ未満の材料であっても測定することが可能であり、かつ測定誤差が少ないため、高精度である。従って、ＥＵＶリソグラフ装置に用いる低熱膨張ガラス材の開発分野などで利用できる。

本発明の熱膨張計の外観を示す斜視図。 本発明の熱膨張計の上面図。 試料室の断面図。 光学室内部の概略図。 光路差発生手段の構成を示す図。 （ａ）〜（ｅ）は光路差発生手段における光路を説明する図。

符号の説明

１ 熱膨張計
２ 光学室
２１ レーザー発振器
２４ 光路差発生手段
２４１ａ〜２４１ｄ 偏光ビームスプリッター
２４２ 直角プリズム
２４３ ４分の１波長板
４ 試料室
４５１ 基準面
Ｓ 試料
Ｓ１ 試料面

Claims (14)

1. レーザー発振器と、このレーザー発振器から発せられ、２つに分けられたレーザー光を試料面及び基準面でそれぞれ反射させて光路差を発生させる光路差発生手段と、光路差を生じた２つのレーザー光を相互に干渉させ、その干渉光を照射面に照射して複数の明暗パターンからなる干渉縞を生じさせる干渉縞発生手段とを有するマイケルソン光干渉計において、この光路差発生手段に入射された２つのレーザー光を基準面及び試料面との間で４往復させるように光路差発生手段を構成したことを特徴とするマイケルソン光干渉計。
2. 前記光路差発生手段を、レーザー発振器と試料との間に順次設けたプリズムと、第１乃至第４の偏光ビームスプリッターと、４分の１波長板とから構成し、第１の偏光ビームスプリッターは、レーザー発振器からのレーザー光を、４分の１波長板を経て試料面及び基準面に到達するように反射させる第一の偏光面を有し、第２の偏光ビームスプリッターは、試料面及び基準面で反射し、４分の１波長板、第一の偏光面を経て、プリズムで反射したレーザー光を透過させると共に、４分の１波長板を経て試料面及び基準面で反射し、再度４分の１波長板を経たレーザー光を第３の偏光ビームスプリッターに到達するように反射させる第２の偏光面を有し、第３の偏光ビームスプリッターは、第２の偏光面を経たレーザー光を、４分の１波長板を経て試料面及び基準面に到達するように反射させる第３の偏光面を有し、第４の偏光ビームスプリッターは、試料面及び基準面でそれぞれ反射し、４分の１波長板、第３の偏光面を経てプリズムで反射したレーザー光を透過させると共に、４分の１波長板を経て試料面及び基準面で反射し、４分の１波長板を経たレーザー光を干渉縞発生手段に到達するように反射する第４の偏光面を有したことを特徴とする請求項１に記載のマイケルソン干渉計。
3. 請求項１又は２に記載のマイケルソン光干渉計と、試料を加熱する加熱手段と、前記干渉縞発生手段に接続され、前記照射面に基準位置を有し、前記干渉縞の複数の明暗のパターンにより生ずる照射面上の面内光強度分布を電気信号に変換して干渉縞位置信号手段として出力する光電変換手段と、該光電変換手段に接続され、ひとつの山の前記基準位置との間の距離と、前記基準位置を通過する山の積算数と、山と山との間隔と、前記レーザー光の波長とから試料の膨張量又は収縮量を算出する算出手段とを備えることを特徴とする熱膨張計。
4. 前記レーザー発振器にレーザー発振器の温度を一定に保持する恒温手段を設けたことを特徴とする請求項３に記載の熱膨張計。
5. 前記レーザー発振器と光路差発生手段との間で光路上に減光フィルターを設けたことを特徴とする請求項３又は４に記載の熱膨張計。
6. 前記レーザー発振器、前記光路差発生手段及び前記干渉縞発生手段を収納した気密性を有する光学室と、試料を加熱する加熱手段を備えた真空排気可能な試料室とを互いに隔てて備えたことを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の熱膨張計。
7. 光学室の底部に下方に向かって突出した支持枠を設け、その支持枠内に試料室を設置したことを特徴とする請求項６に記載の熱膨張計。
8. 前記光学室内部の温度を一定に保持する他の恒温手段を設けたことを特徴とする請求項６又は７のいずれかに記載の熱膨張計。
9. 前記試料が載置され、基準面を構成する載置台を備えたことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の熱膨張計。
10. 前記光学室の上部に光学室内にヘリウムガス雰囲気を形成するガス導入手段を設け、光学室の底部に光学室内の空気の排気口を設けたことを特徴とする請求項６〜９に記載の熱膨張計。
11. 前記加熱手段を、載置台の下方に設けた第１のヒーターと、試料の周囲に設けた第２のヒーターとから構成したことを特徴とする請求項請求項６〜１０のいずれかに記載の熱膨張計。
12. 前記第１のヒーターを、熱電素子から構成したことを特徴とする請求項１１に記載の熱膨張計。
13. 前記試料室の側壁温度を一定に保持する別の恒温手段を試料室の側壁に設けたことを特徴とする請求項６〜１２のいずれかに記載の熱膨張計。
14. レーザー発振器から発するレーザー光を２つにわけ、２つのレーザー光の間に光路差を生じさせる光路差発生手段に入射して、一方のレーザー光を試料が載置された基準面と光路差発生手段との間で４往復させ、他方のレーザー光を試料面と光路差発生手段との間で４往復させ、両レーザー光を重ねて干渉させ干渉縞を発生させ、その後、測定対象である試料を加熱して膨張させ、膨張により試料面が移動したことに伴った干渉縞の移動量から熱膨張量を算出することを特徴とする熱膨張量測定方法。