JP2015114266A - 偏光解析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サンプルの偏光特性を迅速に測定することが可能な偏光解析装置を提供する。
【解決手段】本発明の偏光解析装置は、所定の波長領域を有する光を出射する光源２と、光源２から出射された光が透過する偏光子３２と、サンプルＳからの光が透過する空間位相変調器５と、空間位相変調器５を透過した光が透過する検光子４２と、検光子４２を透過した光を受光するイメージ分光器６と、を備える。空間位相変調器５は、複屈折材料からなり、光軸と直交する面内の第１の方向の各位置で位相差が互いに異なる。イメージ分光器６は、光軸と直交する面内の第１の方向とは異なる第２の方向に分光する。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏光解析装置に関する。

特許文献１には、回転検光子法によりサンプルの偏光状態を取得する分光エリプソメータが開示されている。

特許文献２には、光弾性変調器を用いた位相変調法によりストークスパラメーターＳ２の符号判定を行うストークスメータが開示されている。

特開２００９−１０３５９８号公報 特開平５−１７２６４４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された分光エリプソメータでは、検光子を機械的に回転させ、それぞれの角度で光を検出する必要があるため、測定に時間を要する。

また、特許文献２に開示されたストークスメータでは、分光測定を行う場合に、測定波長毎に光弾性変調器の印加電圧を変化させ、それぞれの段階で光を検出する必要があるため、測定に時間を要する。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、サンプルの偏光特性を迅速に測定することが可能な偏光解析装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の偏光解析装置は、所定の波長領域を有する光を出射する光源と、前記光源から出射された光が透過する偏光子であって、前記偏光子を透過した光がサンプルに照射される、偏光子と、前記サンプルからの光が透過する空間位相変調器であって、複屈折材料からなり、光軸と直交する面内の第１の方向の各位置で位相差が互いに異なる、空間位相変調器と、前記空間位相変調器を透過した光が透過する検光子と、前記検光子を透過した光を受光するイメージ分光器であって、前記光軸と直交する面内の前記第１の方向とは異なる第２の方向に分光する、イメージ分光器と、を備える。

また、本発明の一態様では、前記空間位相変調器の位相差は、前記第１の方向に沿って連続的に変化してもよい。

また、本発明の一態様では、前記空間位相変調器の複屈折率差は、前記第１の方向に沿って連続的に変化してもよい。

また、本発明の一態様では、前記サンプルからの光のビーム径を拡大して前記空間位相変調器に照射するビーム拡大器をさらに備えてもよい。

また、本発明の一態様では、前記空間位相変調器は、進相軸または遅相軸の方向が互いに異なる、前記第１の方向に隣り合う２つの領域を含んでもよい。

また、本発明の一態様では、前記検光子は、前記空間位相変調器の前記２つの領域にそれぞれ対応する、偏光方向が互いに異なる、前記第１の方向に隣り合う２つの領域を含んでもよい。

本発明によると、位相差に応じた分光の情報をワンショットで取得することが可能である。

偏光解析装置の第１の例の概略を示す図である。 受光ユニットの一例の概略を示す図である。 受光ユニットの変形例の概略を示す図である。 受光ユニットの変形例の概略を示す図である。 空間位相変調器の一例の概略を示す図である。 偏光解析装置の第２の例の概略を示す図である。 受光ユニットの変形例の概略を示す図である。 第１の例への適用を示すフローチャートである。 第２の例への適用を示すフローチャートである。

本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

［偏光解析装置の第１の例］
図１は、第１の例に係る偏光解析装置１の概略を示す図である。本第１の例に係る偏光解析装置１は、分光エリプソメータである。

偏光解析装置１は、サンプルＳに照射する光を生成する光源２と、光源２で生成された光をサンプルＳに照射する投光ユニット３と、サンプルＳで反射した光を受光する受光ユニット４と、を備えている。

光源２としては、広い波長領域において出力特性が平坦な白色光源が好適であり、重水素ランプやタングステンランプなどを採用してよい。光源２が出射する光は、例えば、少なくとも１００ｎｍ幅の波長領域を有し、特には、少なくとも２００ｎｍ幅の波長領域を有することが好ましい。波長領域は、近紫外領域（２００〜４００ｎｍ程度）、可視領域（４００〜８００ｎｍ）及び近赤外領域（８００〜１０００ｎｍ程度）を含む領域内で任意に定められる。例えば、波長領域は、可視領域を全て含んでもよいし、近紫外領域と可視領域に跨がってもよいし、可視領域と近赤外領域に跨がってもよい。

投光ユニット３は、光の入射角度を変えられるように、サンプルＳを中心とする円周方向に移動可能に支持されている。投光ユニット３は、偏光子３２を備えており、偏光子３２を透過する光は、直線偏光に偏光される。

受光ユニット４は、光の検出角度を変えられるように、サンプルＳを中心とする円周方向に移動可能に支持されている。受光ユニット４は、空間位相変調器５と、検光子４２と、イメージ分光器６と、を備えている。

図２は、受光ユニット４の一例の概略を示す図である。受光ユニット４では、空間位相変調器５、検光子４２及びイメージ分光器６が、光の上流から下流へこの順番で配列している。

空間位相変調器５は、複屈折材料からなり、光軸と直交する面内の位相変調方向ＰＭの各位置で位相差が互いに異なるように構成されている。位相変調方向ＰＭは、イメージ分光器６のスリット６ａの長手方向に対応している。空間位相変調器５は、光源２が生成する所定の波長領域を有する光、すなわち白色光を透過させる。空間位相変調器５の進相軸及び遅相軸の方向は、特に限定されない。例えば、進相軸及び遅相軸は、位相変調方向ＰＭと平行及び垂直にそれぞれ設定される。空間位相変調器５の詳細は後述する。

空間位相変調器５を透過した光は、検光子４２を透過し、その後、イメージ分光器６に到達する。空間位相変調器５の進相軸及び遅相軸の方向と検光子４２の偏光方向との角度差は、例えば４５度であることが好ましい。偏光子３２の偏光方向と検光子４２の偏光方向との角度差は、例えば０度であることが好ましい。

イメージ分光器６は、スリット６ａから入射する光を分光するグレーティング（回折格子）と、ＣＣＤ等の撮像素子が２次元に配列したイメージセンサと、を備えている。検光子４２を透過した光は、スリット６ａによりライン状に成形されて、イメージ分光器６の内部に入射する。グレーティングは、スリット６ａから入射する光を、光軸と直交する面内の分光方向ＳＰに分光する。分光方向ＳＰは、スリット６ａの幅方向に対応しており、位相変調方向ＰＭと直交している。イメージセンサは、位相変調方向ＰＭの各位置で位相差が互いに異なり、かつ分光方向ＳＰの各位置で波長が互いに異なる光を受光する。これにより、位相差に応じた分光の情報をワンショットで取得することが可能である。

不図示の演算装置は、イメージ分光器６が取得した位相差に応じた分光の情報に基づいて、データ解析により波長ごとの位相差Δや振幅比の角度Ψなどを算出し、最終的に膜厚や光学定数などを算出する。

イメージ分光器６は、例えば図３に示されるように、波長可変フィルタ６７と、イメージセンサ６９と、を備えてもよい。波長可変フィルタ６７は、光軸と直交する面内の波長変調方向ＷＭの各位置で波長が互いに異なるように、自身を透過する光の波長を変調させる。波長変調方向ＷＭは、位相変調方向ＰＭと直交している。

受光ユニット４は、例えば図４に示されるように、ビーム拡大器７をさらに備えてもよい。ビーム拡大器７は、サンプルＳで反射した光のビーム径を拡大して空間位相変調器５に照射する。このようなビーム拡大器７を備える態様は、投光ユニット３からサンプルＳに照射される光のスポット径が小さい場合に好適である。

図５は、空間位相変調器５の一例の概略を示す図である。空間位相変調器５は、複屈折材料からなる位相差フィルム５２と、位相差フィルム５２の両側に取り付けられた一対の延伸器５４と、一対の延伸器５４に接続されたコントローラ５６と、を備えている。

一対の延伸器５４は、位相差フィルム５２の幅方向（図中の上下方向）の一方の側で延伸量が比較的小さく、他方の側で延伸量が比較的大きくなるように、位相差フィルム５２を扇状に延伸させる。このとき、位相差フィルム５２の複屈折率差は、幅方向の一方の側で比較的小さく、他方の側で比較的大きくなり、幅方向に沿って一方の側から他方の側へ連続的に増加している。これに伴って、位相差フィルム５２の位相差も、幅方向に沿って一方の側から他方の側へ連続的に増加している。すなわち、位相差フィルム５２の幅方向が、位相変調方向ＰＭとなる。位相差フィルム５２は、位相変調方向ＰＭに沿って位相差が０から１波長（３６０度）まで変化する範囲を含むことが好ましい。

コントローラ５６は、位相差フィルム５２の特性の温度依存性を補償するために、位相差フィルム５２の延伸量を調整する。または、コントローラ５６は、位相差フィルム５２の特性の温度依存性を補償するために、位相差フィルム５２の温度を調整してもよい。

なお、空間位相変調器５は、上述の態様に限定されない。空間位相変調器５は、上述のように一方向に位相差が変化するような構造の光学部品などであってもよい。

［偏光解析装置の第２の例］
図６は、第２の例に係る偏光解析装置１０の概略を示す図である。上述の第１の例と重複する構成については、同番号を付すことで詳細な説明を省略する。本第２の例では、投光ユニット３と受光ユニット４とが対向して配置されており、受光ユニット４は、サンプルＳを透過した光を受光する。

［受光ユニットの変形例］
図７は、変形例に係る受光ユニット４０の概略を示す図である。同図では、受光ユニット４０に含まれる空間位相変調器５と検光子４２のみを示しており、イメージ分光器６の図示を省略している。本変形例は、上述の第１の例にも第２の例にも適用可能である。

本変形例では、空間位相変調器５は、位相変調方向ＰＭに隣り合う２つの領域５２ａ，５２ｂを含んでいる。第１の領域５２ａの進相軸及び遅相軸の方向と、第２の領域５２ｂの進相軸及び遅相軸の方向と、は互いに異なっており、その角度差は例えば４５度であることが好ましい。図中の２つの領域５２ａ，５２ｂの内側に示された両矢印は、進相軸の方向を示している。

同様に、検光子４２も、位相変調方向ＰＭに隣り合う２つの領域４２ａ，４２ｂを含んでいる。第１の領域４２ａの偏光方向と、第２の領域４２ｂの偏光方向と、は互いに異なっており、その角度差は例えば４５度であることが好ましい。図中の２つの領域４２ａ，４２ｂの内側に示された両矢印は、偏光方向を示している。

空間位相変調器５の第１の領域５２ａと、検光子４２の第１の領域４２ａとは対向しており、空間位相変調器５の第１の領域５２ａを透過した光は、検光子４２の第１の領域４２ａを透過し、その後、イメージ分光器６に到達する。空間位相変調器５の第１の領域５２ａの進相軸及び遅相軸の方向と、検光子４２の第１の領域４２ａの偏光方向との角度差は、例えば４５度であることが好ましい。

空間位相変調器５の第２の領域５２ｂと、検光子４２の第２の領域４２ｂとは対向しており、空間位相変調器５の第２の領域５２ｂを透過した光は、検光子４２の第２の領域４２ｂを透過し、その後、イメージ分光器６に到達する。空間位相変調器５の第２の領域５２ｂの進相軸及び遅相軸の方向と、検光子４２の第２の領域４２ｂの偏光方向との角度差は、例えば４５度であることが好ましい。

空間位相変調器５の２つの領域５２ａ，５２ｂのそれぞれは、位相変調方向ＰＭに沿って位相差が０から１波長（３６０度）まで変化する範囲を含むことが好ましい。このような２つの領域５２ａ，５２ｂは、例えば、上述の図５に示される位相差フィルム５２、一対の延伸器５４及びコントローラ５６の組を２つ設けること等によって実現される。

以上に説明した変形例に係る受光ユニット４０を用いた場合、ストークスパラメーターＳ１，Ｓ２，Ｓ３の全てを算出することが可能である。以下、変形例に係る受光ユニット４０を上述の第１の例と第２の例のそれぞれに適用した場合について説明する。

なお、以下の説明において、偏光子３２の偏光方向の角度は、空間位相変調器５の第１の領域５２ａの進相軸（図７を参照）を基準に表される。

［第１の例への適用］
図８は、変形例に係る受光ユニット４０を、第１の例に係る偏光解析装置１（図１を参照）に適用した場合の測定を示すフローチャートである。

Ｓ１１では、入射角・検出角θを９０度、偏光子３２の偏光方向を４５度に設定して、サンプルＳなしで測定する。すなわち、入射角・検出角θを９０度にすることで、投光ユニット３と受光ユニット４とを対向させ、両者の間の空気だけを透過した光の強度をイメージ分光器６で測定する。

Ｓ１２では、空間位相変調器５の第１の領域５２ａ（進相軸：０度）について、イメージ分光器６が測定した波長ごとの強度の変化から、後述する数式（２）により位相差分布δ（０〜２π）を計算する。

Ｓ１３では、入射角・検出角θを９０度、偏光子３２の偏光方向を９０度に設定して、サンプルＳなしで測定する。すなわち、入射角・検出角θを９０度にすることで、投光ユニット３と受光ユニット４とを対向させ、両者の間の空気だけを透過した光の強度をイメージ分光器６で測定する。

Ｓ１４では、空間位相変調器５の第２の領域５２ｂ（進相軸：４５度）について、イメージ分光器６が測定した波長ごとの強度の変化から、後述する数式（２）により位相差分布δ（０〜２π）を計算する。

Ｓ１５では、入射角・検出角θを０度以上９０度未満、偏光子３２の偏光方向を４５度に設定して、サンプルＳで反射した光の強度をイメージ分光器６で測定する。

Ｓ１６では、後述する数式（３），（４），（５）により、波長ごとの位相差Δや振幅比の角度Ψ、ストークスパラメーターＳ１〜Ｓ３などを計算する。

Ｓ１７では、波長ごとの位相差Δや振幅比の角度Ψなどにより、サンプルＳの膜厚及び光学定数などを算出する。

［第２の例への適用］
図９は、変形例に係る受光ユニット４０を、第２の例に係る偏光解析装置１０（図６を参照）に適用した場合の測定を示すフローチャートである。

Ｓ２１では、偏光子３２の偏光方向を４５度に設定して、サンプルＳなしで測定する。すなわち、投光ユニット３と受光ユニット４の間の空気だけを透過した光の強度をイメージ分光器６で測定する。

Ｓ２２では、空間位相変調器５の第１の領域５２ａ（進相軸：０度）について、イメージ分光器６が測定した波長ごとの強度の変化から、後述する数式（２）により位相差分布δ（０〜２π）を計算する。

Ｓ２３では、偏光子３２の偏光方向を９０度に設定して、サンプルＳなしで測定する。すなわち、投光ユニット３と受光ユニット４の間の空気だけを透過した光の強度をイメージ分光器６で測定する。

Ｓ２４では、空間位相変調器５の第２の領域５２ｂ（進相軸：４５度）について、イメージ分光器６が測定した波長ごとの強度の変化から、後述する数式（２）により位相差分布δ（０〜２π）を計算する。

Ｓ２５では、偏光子３２の偏光方向を４５度に設定して、サンプルＳを透過した光の強度をイメージ分光器６で測定する。

Ｓ２６では、後述する数式（３），（４），（５）により、波長ごとのストークスパラメーターＳ１〜Ｓ３などを計算する。

Ｓ２７では、波長ごとのストークスパラメーターＳ１〜Ｓ３などにより、サンプルＳの複屈折位相差などを計算する。

［ストークスパラメーターの導出］
ストークスパラメーターＳ１〜Ｓ３の導出について、数式を参照しながら説明する。

偏光子３２の偏光方向を４５度に設定し、空間位相変調器５の進相軸及び遅相軸の方向と検光子４２の偏光方向との角度差を４５度に設定し、イメージ分光器６で測定したδ＝０〜２πの光強度Ｉ（δ）は下記数式（１）で与えられる。δは、空間位相変調器５の位相差を表す。

サンプルＳなしの場合、上記数式（１）は簡素化されて、下記数式（２）が得られる。

偏光子３２の偏光方向を９０度に設定し、空間位相変調器５の進相軸及び遅相軸の方向と検光子４２の偏光方向との角度差を４５度に設定し、イメージ分光器６で測定したδ＝０〜２πの光強度Ｉ（δ）も上記数式（１）で与えられ、サンプルＳなしの場合には上記数式（２）が得られる。

上記数式（２）から位相差分布を求めて、下記数式（３），（４）で利用する。サンプルＳの位相差Δや振幅比の角度Ψは、これら数式（３），（４）から得られる。

空間位相変調器５の第１の領域５２ａ（進相軸：０度）に関して、上記数式（１）は下記数式（３）になり、サンプルＳの位相差Δや振幅比の角度Ψは、複数のδで測定した光強度を利用して、数式（３）を最小二乗法などで解くことによって得られる。

空間位相変調器５の第２の領域５２ｂ（進相軸：４５度）に関して、上記数式（１）は下記数式（４）になり、サンプルＳの位相差Δや振幅比の角度Ψは、複数のδで測定した光強度を利用して、数式（４）を最小二乗法などで解くことによって得られる。

ストークスパラメーターＳ１，Ｓ２，Ｓ３は、サンプルＳの位相差Δや振幅比の角度Ψを利用して、下記数式（５）から得られる。

サンプルＳの位相差Δや振幅比の角度Ψを得る際に、波長ごとかつ位相ごとに測定した光強度を利用するため、一度に複数の波長の位相差Δや振幅比の角度Ψを得ることができる。これによると、測定精度の向上を図ることが可能である。

従来の回転検光子法や位相変調法では、算出が可能なストークスパラメーターに限りがあるが、以上に説明した方法によれば、ストークスパラメーターＳ１，Ｓ２，Ｓ３の全てを算出することが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が当業者にとって可能であるのはもちろんである。

１，１０ 偏光解析装置、２ 光源、３ 投光ユニット、３２ 偏光子、４，４０ 受光ユニット、４２ 検光子、５ 空間位相変調器、５２ 位相差フィルム、５４ 延伸器、５６ コントローラ、６ イメージ分光器、６ａ スリット、６７ 波長可変フィルタ、６９ イメージセンサ、７ ビーム拡大器。

Claims (6)

1. 所定の波長領域を有する光を出射する光源と、
   前記光源から出射された光が透過する偏光子であって、前記偏光子を透過した光がサンプルに照射される、偏光子と、
   前記サンプルからの光が透過する空間位相変調器であって、複屈折材料からなり、光軸と直交する面内の第１の方向の各位置で位相差が互いに異なる、空間位相変調器と、
   前記空間位相変調器を透過した光が透過する検光子と、
   前記検光子を透過した光を受光するイメージ分光器であって、前記光軸と直交する面内の前記第１の方向とは異なる第２の方向に分光する、イメージ分光器と、
   を備える偏光解析装置。
2. 前記空間位相変調器の位相差は、前記第１の方向に沿って連続的に変化する、
   請求項１に記載の偏光解析装置。
3. 前記空間位相変調器の複屈折率差は、前記第１の方向に沿って連続的に変化する、
   請求項１または２に記載の偏光解析装置。
4. 前記サンプルからの光のビーム径を拡大して前記空間位相変調器に照射するビーム拡大器をさらに備える、
   請求項１ないし３の何れかに記載の偏光解析装置。
5. 前記空間位相変調器は、進相軸または遅相軸の方向が互いに異なる、前記第１の方向に隣り合う２つの領域を含む、
   請求項１ないし４の何れかに記載の偏光解析装置。
6. 前記検光子は、前記空間位相変調器の前記２つの領域にそれぞれ対応する、偏光方向が互いに異なる、前記第１の方向に隣り合う２つの領域を含む、
   請求項５に記載の偏光解析装置。

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