JP2008020690A

JP2008020690A - 部分偏光光束生成装置

Info

Publication number: JP2008020690A
Application number: JP2006192639A
Authority: JP
Inventors: Kaori Mukai; 香織向井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2006-07-13
Publication date: 2008-01-31

Abstract

【課題】偏光度・偏光方向・波長が可変で、光学計測に十分対応することができる部分偏光光束生成装置を提供する。
【解決手段】非偏光光束生成部１０から出射される非偏光光束と偏光光束生成部２０から出射される偏光光束とをハーフミラー３０で合成する。非偏光光束生成部１０及び偏光光束生成部２０の光軸上には所定の波長の光束を選択するバンドパスフィルタ１３，２３及び可変ＮＤフィルタ１４，２４が配置されている。また、偏光光束生成部２０の光軸上には光軸回りに回転可能な偏光子２５が配置されている。
【選択図】図１

Description

この発明は部分偏光光束生成装置に関する。

従来、エリプソメータ等偏光光束を利用して異方性物質の内部物性等を偏光状態の変化から測定する方法が知られている。また、偏光計測を行なう場合、計測装置の光学系自体でも偏光状態の変化は生じるため、この計測装置で生じる偏光状態の変化を測定したいという要望がある。

このような計測には通常ほぼ完全偏光の光束が使用される。しかし、目的によっては部分偏光状態の光束を使用し、部分偏光の偏光度や偏光方向等の偏光状態を可変にしたいという要望がある。また、このような計測では通常波長依存性も測定するため、複数の波長で測定したいという要望がある。

このような部分偏光に使用される光源は例えば以下の特許文献に記載されている。
特表２００１−５１２８５０号公報

しかし、上記特許文献に記載されている光源は紫外波長での使用しか想定されておらず、複数の波長で測定する必要がある光学測定には十分対応することができなかった。

この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題は偏光度・偏光方向・波長が可変で、光学計測に十分対応することができる部分偏光光束生成装置を提供することである。

上記課題を解決すべく請求項１に記載の発明は、非偏光光束を出射する非偏光光束生成手段と、偏光光束を出射する偏光光束生成手段と、前記非偏光光束と前記偏光光束とを合成する光束合成手段とを備え、前記非偏光光束生成手段及び前記偏光光束生成手段は波長を選択する波長選択手段を有していることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の部分偏光光束生成装置において、前記偏光光束生成手段は非偏光光源と光軸回りに回転可能な偏光子とを有していることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載の部分偏光光束生成装置において、前記光束合成手段はほぼ無偏光特性を有することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の部分偏光光束生成装置において、前記波長選択手段はバンドパスフィルタであることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の部分偏光光束生成装置において、前記波長選択手段は分光器であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項記載の部分偏光光束生成装置において、前記非偏光光束生成手段及び前記偏光光束生成手段の少なくとも一方は可変ＮＤフィルタを有していることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項２〜６のいずれか１項記載の部分偏光光束生成装置において、複数の前記偏光子を有し、前記複数の偏光子のいずれかが選択的に使用されることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項記載の部分偏光光束生成装置において、複数の前記光束合成手段を備え、前記複数の光束合成手段のいずれかが選択的に使用されることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか１項記載の部分偏光光束生成装置において、前記偏光光束生成手段は光軸回りに回転可能な位相板を有することを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項９項記載の部分偏光光束生成装置において、複数の前記位相板を有し、前記複数の位相板は必要な場合に選択的に使用されることを特徴とする。

この発明によれば、偏光度・偏光方向・波長が可変で、光学計測に十分対応することができる。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１（ａ）はこの発明の第１実施形態に係る部分偏光光束生成装置の光学配置を示す概念図、図１（ｂ）は偏光子をＡ１矢視方向から見た概念図、図２（ａ）はこの発明の第１実施形態の変形例に係る部分偏光光束生成装置の光学配置を示す概念図、図２（ｂ）は偏光子をＡ２矢視方向から見た概念図である。

変形例は位相板２８を選択的に光軸上に配置できるようにした点で第１実施形態と相違する。

この部分偏光光束生成装置は、非偏光光束を出射する非偏光光束生成部（非偏光光束生成手段）１０と、偏光光束を出射する偏光光束生成部（偏光光束生成手段）２０と、非偏光光束と偏光光束とを合成するハーフミラー（光束合成手段）３０とを備えている。

非偏光光束生成部１０は非偏光光源１１とレンズ１２とバンドパスフィルタ（波長選択手段）１３とＮＤフィルタ１４とを備えている。

レンズ１２は非偏光光源１１から出射された光束を平行光束にする。

バンドパスフィルタ１３は所定の範囲の波長の光だけを透過させる。バンドパスフィルタ１３は透過波長帯域の異なるものに交換可能である。

ＮＤフィルタ１４は透過光量を制御する。ＮＤフィルタ１４としては、ウエッジＮＤフィルタ（例えばドーナツ型基板に所定の材料を膜厚が周方向へ連続的に変化するようにコーティングしたものであり、光の透過率を連続的に変化させ得るもの。）や、ステップＮＤフィルタ（基板に所定の材料を膜厚が段階的に変化するようにコーティングしたものであり、光の透過率を段階的に変化させ得るもの。）が用いられる。

可変のＮＤフィルタ１４によって非偏光光束生成部１０の光量を制御でき、可変のＮＤフィルタ２４によって偏光光束生成部２０の光量を制御できる。したがって、ハーフミラー３０を出射後の偏光度を可変とすることができる。

また、ＮＤフィルタ１４や２４を出射後の光量をモニタし、モニタ光量からＮＤフィルタ１４の光学濃度を制御すれば、より偏光度の精度の高い部分偏光光束生成装置にすることができる。

偏光光束生成部２０は非偏光光源２１とレンズ２２とバンドパスフィルタ（波長選択手段）２３とＮＤフィルタ２４と偏光子２５とを備えている。

レンズ２２は非偏光光源２１から出射された光束を平行光束にする。

バンドパスフィルタ２３は所定の範囲の波長の光だけを透過させる。バンドパスフィルタ２３は透過波長帯域の異なるものに交換可能である。

ＮＤフィルタ２４は透過光量を制御する。ＮＤフィルタ２４としてはウエッジＮＤフィルタやステップＮＤフィルタが用いられる。

偏光子２５は偏光をつくるための素子である。偏光子２５は、例えば特定の振動方向をもつ直線偏光だけを通す偏光フィルタである。偏光子２５は偏光性能に波長依存性を有するので、計測で使用する光の波長に応じて交換可能であることが望ましい。偏光子２５はレンズ２２の光軸周りに（図１（ｂ）の矢印ａ参照）回転可能であり、所定の偏光方向が得られるように、偏光軸２６をレンズ２２の光軸周りへ所定角度だけ回転させる。

図２に示すように、偏光子２５に加えて、１／４波長板等の位相板２８を使用すれば、偏光状態を直線偏光から円偏光や楕円偏光に変化させることができる。所望の楕円率や長軸方向等に応じて、位相板２８は光軸回りに回転可能である。また、位相板２８の位相差には通常波長依存性があるので、位相板２８は使用波長に応じて交換可能であり、光軸上に配置されない状態を選択することもできる。位相板２８を使用することによって、非偏光と楕円偏光とからなる部分偏光を生成することが可能である。

ハーフミラー３０はほぼ無偏光の光束合成手段である。ハーフミラー３０は、ＮＤフィルタ１４を透過した非偏光の光束と偏光子２５を透過した所定の偏光方向をもった光束とを合成する。ハーフミラー３０は光軸に対してほぼ４５°傾くように配置されている。ハーフミラー３０は偏光性能に波長依存性を有するので、計測で使用する光の波長に応じて交換可能であることが望ましい。なお、ハーフミラー３０は１式、２式の条件を満たすことが望ましい。

０.８＜ＴＰ/ＴＳ＜１.２（１式）
０.８＜ＲＰ/ＲＳ＜１.２（２式）
なお、３式、４式の条件を満たすことがより望ましい。

０.９５＜ＴＰ/ＴＳ＜１.０５（３式）
０.９５＜ＲＰ/ＲＳ＜１.０５（４式）
ただし、ＴＰ、ＴＳ、ＲＰ及びＲＳは、Ｐ偏光透過率、Ｓ偏光透過率、Ｐ偏光反射率及びＳ偏光反射率をそれぞれ示す。

次に、この部分偏光光束生成装置の動作を説明する。

非偏光光源１１から出射された光束は、レンズ１２によってほぼ平行光束にされ、バンドパスフィルタ１３、ＮＤフィルタ１４を透過する。

一方、非偏光光源２１から出射された光束は、レンズ２２によってほぼ平行光束にされ、バンドパスフィルタ２３、ＮＤフィルタ２４を透過し、偏光子２５に入射する。

ＮＤフィルタ１４を透過した非偏光の光束はハーフミラー３０にほぼ４５°の角度で入射し、一部の光束がハーフミラー３０を透過する。偏光子２５を透過した所定の偏光方向をもった光束はハーフミラー３０にほぼ４５°の角度で入射し、ハーフミラー３０で一部の光束が反射される。両光束は合成されてハーフミラー３０から出射される。

その結果、ハーフミラー３０から所定の偏光度、偏光方向、波長をもった部分偏光光束が得られる。

この実施形態によれば、ハーフミラー３０から所定の偏光度、偏光方向、波長をもった部分偏光光束を出射させることができるので、光学計測に十分対応することができる。

図３（ａ）はこの発明の第２実施形態に係る部分偏光光束生成装置の光学配置を示す概念図、図３（ｂ）は偏光子をＢ１矢視方向から見た概念図、図４（ａ）はこの発明の第２実施形態の変形例に係る部分偏光光束生成装置の光学配置を示す概念図、図４（ｂ）は偏光子をＢ２矢視方向から見た概念図であり、第１実施形態と共通する部分には同一符号を付してその説明を省略する。

変形例は位相板２８を選択的に光軸上に配置できるようにした点で第２実施形態と相違する。

この実施形態は、１つの非偏光光源１１から出射され、分光器（波長選択手段）１１３で分光された光束を、光ファイバ１１５を用いて分割するようにした点で、第１実施形態と相違する。

この部分偏光光束生成装置は、非偏光光束を出射する非偏光光束生成部（非偏光光束生成手段）１１０と、偏光光束を出射する偏光光束生成部（偏光光束生成手段）１２０と、非偏光光束と偏光光束とを合成するキューブハーフミラー（光束合成手段）１３０とを備えている。

非偏光光束生成部１１０は非偏光光源１１とレンズ１１２と分光器（波長選択手段）１１３と光ファイバ１１５の分岐部１１５ａとレンズ１２とＮＤフィルタ１４とを備えている。

レンズ１１２は非偏光光源１１から出射された光束を分光器１１３の入り口スリット１１３ａに導く。

分光器１１３はグレーティングで所定の波長の光束を出口スリット１１３ｂから出射させる。

光ファイバ１１５は２分岐ファイバ（出口スリット１１３ｂから出射された光束を２つに分割するファイバ）である。光ファイバ１１５の一方の分岐部１１５ａは出口スリット１１３ｂから出射された光束をレンズ１２に導く。分岐部１１５ａの出射端の位置が第１実施形態の非偏光光源１１の位置とほぼ一致する。

偏光光束生成部１２０は非偏光光源１１とレンズ１１２と分光器（波長選択手段）１１３と光ファイバ１１５の分岐部１１５ｂとレンズ２２とＮＤフィルタ２４と偏光子２５とを備えている。

光ファイバ１１５の他方の分岐部１１５ｂは出口スリット１１３ｂから出射された光束をレンズ２２に導く。分岐部１１５ｂの出射端の位置が第１実施形態の非偏光光源２１の位置とほぼ一致する。

すなわち、非偏光光源１１とレンズ１１２と分光器（波長選択手段）１１３と光ファイバ１１５とが非偏光光束生成部１１０及び偏光光束生成部１２０の双方に共通する光源として用いられる。

キューブハーフミラー１３０はほぼ非偏光の光束合成手段である。キューブハーフミラー１３０は、ＮＤフィルタ１４を透過した非偏光の光束と偏光子２５を透過した所定の偏光方向をもった光束とを合成する。キューブハーフミラー１３０の分割面１３１は光軸に対してほぼ４５°傾くように配置されている。キューブハーフミラー１３０は偏光性能に波長依存性を有するので、計測で使用する光の波長に応じて交換可能であることが望ましい。

次に、この部分偏光光束生成装置の動作を説明する。

非偏光光源１１から出射された光束は、レンズ１１２によって集光されて分光器１１３の入り口スリット１１３ａに導かれる。選択された所定波長の光束が分光器１１３の出口スリット１１３ｂから出射され、ファイバ１１５に入射する。分岐部１１５ａの出射端から出射された光束はレンズ１２によってほぼ平行光束にされ、ＮＤフィルタ１４を透過する。

また、分岐部１１５ｂの出射端から出射された光束はレンズ２２によってほぼ平行光束にされ、ＮＤフィルタ２４を透過し、偏光子２５に入射する。

ＮＤフィルタ１４を透過した非偏光の光束はキューブハーフミラー１３０の分割面にほぼ４５°の角度で入射し、一部の光束が分割面を透過する。偏光子２５を透過した所定の偏光方向をもった光束はキューブハーフミラー１３０の分割面にほぼ４５°の角度で入射し、一部の光束が分割面で反射される。両光束は合成されてキューブハーフミラー１３０から出射される。

その結果、キューブハーフミラー１３０から所定の偏光度、偏光方向、波長をもった部分偏光光束が得られる。

この実施形態によれば、第１実施形態及びその変形例と同様の効果を奏する。

図１（ａ）はこの発明の第１実施形態に係る部分偏光光束生成装置の光学配置を示す概念図、図１（ｂ）は偏光子をＡ１矢視方向から見た概念図である。図２（ａ）はこの発明の第１実施形態の変形例に係る部分偏光光束生成装置の光学配置を示す概念図、図２（ｂ）は偏光子をＡ２矢視方向から見た概念図である。図３（ａ）はこの発明の第２実施形態に係る部分偏光光束生成装置の光学配置を示す概念図、図３（ｂ）は偏光子をＢ１矢視方向から見た概念図である。図４（ａ）はこの発明の第２実施形態の変形例に係る部分偏光光束生成装置の光学配置を示す概念図、図４（ｂ）は偏光子をＢ２矢視方向から見た概念図である。

符号の説明

１０：非偏光光束生成部（非偏光光束生成手段）、１１，２１：非偏光光源、１３，２３：バンドパスフィルタ（波長選択手段）、１４，２４：ＮＤフィルタ、２０：偏光光束生成部（偏光光束生成手段）、２５：偏光子、２８：位相板、３０：ハーフミラー（光束合成手段）、１１３：分光器（波長選択手段）、１３０：キューブハーフミラー（光束合成手段）。

Claims

非偏光光束を出射する非偏光光束生成手段と、
偏光光束を出射する偏光光束生成手段と、
前記非偏光光束と前記偏光光束とを合成する光束合成手段とを備え、
前記非偏光光束生成手段及び前記偏光光束生成手段は波長を選択する波長選択手段を有していることを特徴とする部分偏光光束生成装置。
前記偏光光束生成手段は非偏光光源と光軸回りに回転可能な偏光子とを有していることを特徴とする請求項１記載の部分偏光光束生成装置。
前記光束合成手段はほぼ無偏光特性を有することを特徴とする請求項１又は２記載の部分偏光光束生成装置。
前記波長選択手段はバンドパスフィルタであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の部分偏光光束生成装置。
前記波長選択手段は分光器であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の部分偏光光束生成装置。
前記非偏光光束生成手段及び前記偏光光束生成手段の少なくとも一方は可変ＮＤフィルタを有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の部分偏光光束生成装置。
複数の前記偏光子を有し、前記複数の偏光子のいずれかが選択的に使用されることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項記載の部分偏光光束生成装置。
複数の前記光束合成手段を備え、前記複数の光束合成手段のいずれかが選択的に使用されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の部分偏光光束生成装置。
前記偏光光束生成手段は光軸回りに回転可能な位相板を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の部分偏光光束生成装置。
複数の前記位相板を有し、前記複数の位相板は必要な場合に選択的に使用されることを特徴とする請求項９項記載の部分偏光光束生成装置。