JP4416522B2

JP4416522B2 - 分光器

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Publication number: JP4416522B2
Application number: JP2004016889A
Authority: JP
Inventors: 武山本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2024-01-26
Also published as: US20050162650A1; JP2005207982A; US7167239B2

Description

本発明は分光器に関し特に、光学素子の反射率や透過率等を所定の波長の光で計測する際に好適なものである。

従来より、ミラーやレンズ等の光学素子の反射率や透過率を分光器より得た単色の光で計測し、光学素子の特性を分析することが行われている（例えば特許文献１）。

光学素子の分析などの目的のために用いられる分光器を用いた計測装置では、光源からの光を分光して特定の波長の光のみを取り出して光学素子に照射し、光学素子からの反射光や透過光、発生する２次電子などを計測している。例えば、蛍光Ｘ線分析や、オージェ電子分析、真空中の試料表面にＸ線を照射し、放出される光電子のスペクトルを計測する光電子分光解析、Ｘ線吸収分光法（ＸＡＳ）により得られるＸＡＦＳ（スペクトル微細構造）解析などが行われている。また、反射鏡の反射率などの光学素子の特性を評価することも行われてきた。

このような計測装置には、光源としては、シンクロトロン放射光光源、レーザ励起プラズマ光源、放電プラズマ光源などが用いられる。又分光器としては回折格子分光器あるいは結晶分光器が用いられる。

従来の分光器は回折格子または分光結晶等の分光手段の入射光に対する角度を変化させて、入射光の入射角を変えて、所定の出射スリットから出射する出射光の波長を変化させていた。又は、当該分光手段に対する出射スリットの位置を変えることにより出射光の波長を変化させていた。

一方、分光器の出射スリットから出射する光の波長は、回折格子の角度設定や回折格子の溝間隔、入射スリット位置、出射スリット位置などによって決定される。これらの分光器の出射スリットから出射する光の波長を決定するパラメータは一定の誤差を有するため、従来より、出射スリットから出射される光の波長が所望の波長であることを確認する必要があった。

この目的のため、従来はガスセルによる出射光の波長の測定が行われてきた。ガスセルは光を透過する薄膜の窓をもった密閉容器にガスを所定の圧力に充填したものであり、これを用いてガスセルに封入されたガス固有の吸収スペクトル構造をもとに分光器から出射する光の波長を決定するものである。充填するガスの種類は校正を行う光の波長に応じて選ぶ必要があり、波長１３〜１４ｎｍ領域では、この波長域に吸収スペクトルをもつガスとして一般にクリプトンガスが用いられる。ガスセルの吸収による入射光の減衰を測定する場合には、ガスセルを通過したビームの強度を検出器で測定する。またガスセルなしでのビーム強度を測定し、その強度の比からガスセルの透過率を求める。

図２は従来の分光器の一例の概略図である。この図を用いて従来の波長測定方法を説明する。図２において光源１から放射された光は入射スリット３を通過し、集光凹面鏡等の光学素子４で集光される。光学素子４で反射された光は、光源１と光学素子４の特性により、ある固有のスペクトルを持つ光５となっている。

光５は入射スリット６で適当な波長分解能に設定され、回折格子８に入射する。回折格子８は回折格子の回転角を変える駆動機構９によって駆動される。回折格子８の回転状態により、出射スリット１４から出射する波長の範囲が決定され、特定の波長の光２７のみが出射スリット１４より取り出される。

出射スリットから出射した光は光センサ２３に照射されその強度を計測することが出来る。また、光源の強度の変化を補正するために、光センサ２で光源強度を計測し、センサ２３の強度をセンサ２の強度で除して強度比（Ｉ/Ｉ０）を計算することが出来る。

出射スリットからの出射光の波長の測定は、当該射出光の波長域に使用するガスセルの吸収帯が含まれている場合には、図２に示すように出射スリットの後段に当該ガスセルを挿入し、光センサ２３による光強度の変化を測定することで行うことが出来る。

また、当該射出光の波長域に使用するガスセルの吸収帯が直接含まれていない場合には、周辺に存在する複数のガスセルの吸収帯の位置から、以下のような手段によって分光手段の角度θと出射スリットからの射出光の波長の関係を求め、当該関係に基づいて分光手段の角度θを制御することで所望の波長を有する射出光を得ていた。

分光手段の角度θと出射スリットからの射出光の波長の関係の測定は、まずガスセル１１を外した状態で、分光手段８の入射光に対する角度θをスキャンさせながら強度比（Ｉ/Ｉ０）を計測する。その結果、図３に示すような曲線３１を得る。

次に、ガスセルを挿入して、ガスセルの吸収帯を含んだ曲線３２を取得する。

次に、ガスセルによる吸収帯が現れる角度θを明らかにするために、曲線３２の各θに応じた強度比を曲線３１の各θに応じた強度比で除することで、図４のように各角度θにおける光の透過率３３を得る。このとき、曲線３３に示すように透過率が小さくなる波長（図では模式的にλ１、λ２、λ３と記載した）は使用したガスセルに固有の吸収波長であるので、曲線３３の関係から図５に示すように、分光手段の角度θと出射スリットからの射出光の波長の関係を示すθ〜λ曲線３４を得ることが出来る。

このようにして求めたθ〜λ曲線３４により、所望の射出光の波長に応じた角度θに分光手段８を設定することで、所望の波長を有する射出光を得ていた。
Beamline for measurement and characterization of multiplayer optics for EUV lithography (J.H. Underwood, E.M.Gullikson) 52/SPIE VOL.3331

前述のように、図２に示したような分光器から出射する光の波長は、回折格子や分光結晶などの分光素子の位置と角度、およびピンホールやスリット等の光束制限手段の位置によって決まる。このため分光器は非常に精密な機構をもちこれらの位置や角度を精密に制御している。

しかし環境温度変化や、光照射による素子の温度変化や、分光器を設置する架台や床の形状変化、大気圧の変動による真空チャンバの伸縮などの要因により、光学素子や光束制限手段の位置や角度が変化し、出射する光の波長が変動することは避けられない。

このため、従来は上記の様にガスセル等を用いて射出光の波長を測定して校正を行っても、使用中にその波長が変化する問題が生じていた。また、この場合には、図５に示したθ〜λ曲線３４自体が変化するため、経時変化した波長を再校正することは非常に煩雑となっていた。このため、結果的に分光器からの射出光の波長を精度良く所望の波長に保持することが困難であった。

更に、図２に示したように、出射スリットを通過した光線についてガスセル等により波長測定を行う場合には、その都度毎に分光器の使用を停止する必要があり、分光器の使用中に射出光の波長をその場測定することが困難であった。

本発明は、分光器の出射スリットから出射する光の波長が予め設定した波長となるように波長校正を短時間でかつ高精度に行うことができる分光器の提供を目的とする。

さらに、分光器の使用中においても出射スリットからの出射光の波長をその場観察することができる分光器の提供を目的とする。

請求項１の発明の分光器は、単一の光源からの光束であって溝間隔が一定の単一の回折格子で分光した光のうち、所定の波長の光を出射スリットの開口部から出射する分光器において、前記出射スリットの開口部の両側であって、
前記出射スリットの遮光部に配置され、該分光した光のうち前記出射スリットの開口部を通過しない光の少なくとも一部の光のスペクトルを取得し、取得したスペクトルに基づいて、該分光した光のうち該出射スリットの開口部から射出する光の波長を決定可能な空間分解能を持つ光センサを有していることを特徴としている。

請求項２の発明は請求項１の発明において、該分光した光のスペクトルの各輝線と波長とが対応づけられた基準スペクトル分布を記憶する記憶装置と、該記憶装置に記憶された基準スペクトル分布と前記取得されたスペクトルとの比較を行うことにより、前記取得されたスペクトルに基づいて該出射スリットから射出する光の波長を制御するコントローラとを有することを特徴としている。

請求項３の発明の分光器は、単一の光源からの光束であって溝間隔が一定の単一の回折格子で分光した光のうち、所定の波長の光を出射スリットの開口部から出射する分光器において、
前記出射スリットの開口部の両側に配置され、該分光した光のうち前記出射スリットの開口部を通過しない光のスペクトル分布を測定する光センサを有し、
前記光センサによる測定結果を用いて、該分光した光のうち前記出射スリットの開口部から出射する光の波長を制御することを特徴としている。

請求項４の発明は請求項３の発明において、基準スペクトル分布と前記光センサにより測定されたスペクトル分布とを比較することにより、
該測定されたスペクトル分布のうち前記所定の波長に対応する部分が前記出射スリットの開口部に移動するように、前記分光手段の角度を制御するコントローラを有することを特徴としている。

本発明によれば分光器の出射スリットから出射する光の波長が予め設定した波長となるように波長校正を短時間でかつ高精度に行うことができる分光器が得られる。また、分光器の使用中においても、出射スリットからの出射光の波長をその場観察することができる分光器の波長校正方法及びそれを用いた測定装置が得られる。

以下、具体的に各図を用いて各実施例の説明を行う。

図１は、本発明の実施例１の分光器の要部概略図である。図１において光源手段１から放射された光は入射スリット３を通過し、集光作用のある凹面ミラーや非球面ミラー等の光学素子４で集光される。

光源手段１は、例えばレーザプラズマ光源より成りターゲット材料に集光したレーザ光をパルス状に照射し、高温のプラズマを発生させ、軟Ｘ線やＥＵＶ光を発生させる。このような光源手段１からは、特定の波長に輝線を有するような固有のスペクトルを有する光束が発生する。本実施例においては、光源手段１の一例として銅箔にレーザ光線を照射することにより主にＥＵＶ光源として用いられる光線を含むスペクトルを発生させている。ＥＵＶ光源を用いて図１に示すような分光器を構成する場合には、ガス分子による光線の吸収が問題となるため、光路が真空に保たれていることが望ましい。

本実施例は以下に説明するように、単一の光源からの光束が有するスペクトルに基づいて波長の選択を行うことを特徴とするため、発明が適用される光源はＥＵＶ光源に限定されず、特徴的なスペクトル光を発する光源であれば適用可能である。

光源手段１として上記の様に軟Ｘ線やＥＵＶ光を発生する光源を用いた場合には、十分な反射率を得るために、光学素子４として多層膜による回折を利用して反射を生じさせる多層膜ミラーが用いられる。多層膜ミラーによっては、入射した光線のうちで所定の波長域の光線のみが所定の方向に反射される。この結果、光源手段１と光学素子４の特性により光学素子４からの光束５は、ある固有のスペクトルを持っている。

光束５は回折格子８を回転させる駆動機構（アクチェータ）９によって駆動される回折格子（分光手段）８で分光され、出射スリット１４に入射し、特定の波長の光２７のみが開口部分より出射するようにしている。

回折格子８は角度を設定するステージに載っており、そのステージには、駆動用モータとロータリーエンコーダ等を有する駆動機構９が設けられており、回折格子８の入射光に対する角度を設定し、同時にその角度を計測することができるようになっている。回折格子８の上流（光入射側）に設けた入射スリット６と、下流（光出射側）に設けた出射スリット１４は、回折格子８に入射する光線と出射する光線のなす角度、すなわち偏角が所定の角度になるような位置に配置されている。当該偏角を所定の角度にした状態で回折格子８を回転して回折格子８への入射角を変化させることで、異なる波長の光を出射スリット１４の開口より取り出している。

出射スリット１４の光入射側の面には、溝間隔が一定の単一の回折格子８からの光束１０の分光方向に所定の長さを有する。それと共に、開口部から射出する光の波長を決定可能な所定の分解能（空間分解能）を有する１次元または２次元の光センサ１３ａが配置されている。光センサ１３ａは一般のＣＣＤ素子等により構成される。この光センサ１３ａには、回折格子８で分光された光束１０のうちで出射スリット１４の開口部を通過しない光束が照射され、当該光センサ１３ａの各位置における強度を測定することで、全体として光束１０のスペクトル分布の一部を得ることが出来る。光センサ１３ａを構成する画素が分布する領域の端部は、出射スリット１４の開口（開口部）の端部と一致、又はなるべく近くする配置することが測定精度の点で好ましい。このように分光された光束１０のうちで出射スリット１４の開口部を通過しない部分（遮光部）のスペクトルを測定することで、この測定結果を用いて当該出射スリット１４から射出する光束の波長を知ることが可能となる。

図１において、回折格子８は全体として所定の光学的なパワーを持つことが好ましく、光源手段１の像が出射スリット１４（光センサ１３ａ）上に結像するようにすることで、光束１０に含まれる光線が出射スリット１４に単一のスペクトルを構成することとなり、センサ１３ａにおいて精度良く光束１０のスペクトル分布を得ることができる。入射スリット６は光学素子４に関して光源手段と共役の位置に配置され、必要に応じて実質的な光源の大きさを制限する機能を有する。

また、図１においては、光センサ１３ａが出射スリット１４の一方にのみ取り付けられているが、両側に取り付けることで更に測定の範囲を広げることが出来る。

図１のような構成を持つ分光器において、出射スリット１４から射出する光束の波長を正確に制御する方法について以下に説明する。

まず、光源手段１から放射され、光学素子４で集光された光束５が回折格子８で分光されることで得られる基準スペクトル（基準スペクトル分布）の取得方法について記載する。

基準スペクトルを得るためには、図１においてガスセル１１等を光路中に挿入しない状態で、回折格子８の角度θを所定の角度θ０に設定して光源１を発光させてセンサ１３ａでスペクトル分布を計測する。これにより得られるスペクトル分布の一例として、スペクトル分布３８を図６に示す。図６において、スペクトルが得られているのはセンサ１３ａを構成する画素が存在する領域で、当該領域の端部と出射スリット１４の開口部の端部を一致させているため、図６中でスペクトル分布３８の右側は出射スリット１４の開口部に相当する。

次に上記で得られたスペクトル分布３８の横軸はセンサ１３ａ上の位置に対応するため、基準スペクトルとして使用するためにはスペクトル分布３８中の各輝線がいかなる波長に対応するかの対応付けを行い、基準スペクトルの横軸を決定する必要がある。

波長の対応付けの方法の一例として、光源手段１における光源の発光の方法（被励起物質等）と光学素子４、回折格子８等の特性を考慮することで、基準スペクトル中の各輝線が有する波長が予想される場合には、それによって図６のスペクトル分布３８の横軸に相当する波長分布を決定することが出来る。

一方、本実施例においては、ガスセルを用いた測定により図６のスペクトル分布３８の横軸に相当する波長分布を決定する方法について以下に説明する。

ガスセルを用いた測定は、図１において吸収波長が既知のクリプトンガスを用いたガスセル１１を回折格子とセンサ１３ａ間の光路中に挿入して、他は上述のスペクトル分布３８中の測定と同じようにして計測を行う。この測定により、センサ１３ａには上記スペクトル分布３８と比較して、ガスセル中のクリプトンガスによって所定の波長の光が選択的に吸収されたスペクトル分布３９を得られる。図７には、得られたスペクトル分布３９をスペクトル分布３８中と比較して示す。このガスセル挿入時のスペクトル分布３９をガスセル非挿入時のスペクトル分布３８で除することで、図８の曲線４０に示されるようなガスセルによる吸収曲線が得られ、λａ、λｂのようなクリプトンガスによって選択的に吸収された波長が観測される。これによって、図９のようにセンサ１３ａ上の位置と波長の関係４１が判明し、上記で得られたスペクトル分布３８の横軸に対応する波長を決定し、基準スペクトルとすることができる。センサ１３ａ上の位置と波長の関係４１は一定の波長域であれば直線的に近似することが十分に可能である。

スペクトル分布と当該分布中に現れるガスセルによる吸収の位置の関係はその原理上不変である。このため、上記の方法により基準スペクトルを決定した後は、光源手段１や光学素子４を変更するなどによりスペクトル分布自体が変化しない限りは有効であり、頻繁にガスセルを使用した校正を行う必要を無くすることが出来る。

以上のようにして、具体的な波長との関連付けを行った基準スペクトル２５をコントローラ２６の記憶手段に記憶する。以後は、この基準スペクトル２５とその都度得られるスペクトルの波形を比較することにより、スペクトルを構成する各部位の波長を知ることができる。

次に、上記で取得した基準スペクトルを使用して、出射スリット１４から所望の波長の光束を射出し、且つ当該射出されている光束の波長を所定に保つ方法について説明する。

図１０は、基準スペクトルを使用して出射スリット１４から射出する光束の有する波長帯を所定に保つ簡易な方法を示す。この方法においては、基準スペクトル２５内に見出された所望の波長を有する部分と対応するスペクトル分布３８の一部分を、回折格子８を回転させることで出射スリット１４の開口部分に移動することで出射スリット１４から当該波長の光束を射出している。また、スペクトル上で当該所望の波長を有する部分との関係が明らかな他の波長を有する部分であって、当該所望の波長域を出射スリット１４の開口部分に移動した際にセンサ１３ａ上に投影されるスペクトルの部分の当該センサ１３ａ上での位置を所定に保持することで、出射スリット１４から射出している光束が所望の波長を有することを補償し、且つその状態を保持することを可能としている。

具体例として、図１０において、上記基準スペクトル２５と相似形であるスペクトル分布３８の中から、所望の波長域を出射スリット１４から射出させる方法について説明する。上記説明したように、基準スペクトル２５には対応する波長が横軸として付されているため、当該基準スペクトルの形状とスペクトル分布３８を比較することで、スペクトル分布３８内のどの部分が所望の波長に対応するかを知ることができる。この結果、例えば簡単のために、スペクトル分布３８中のＡで示した部分が所望の波長を有する部分である場合、センサ１３ａ上に投影されるスペクトルを観察しつつ、回折格子８を基準スペクトル２５を取得した角度θ０から必要な量だけ回転して、当該Ａで示した部分が出射スリット１４の開口部分に相当する位置に図１０中の矢印のように移動させる。これにより、所望の波長の光束を出射スリット１４の開口部分から放出することが出来る。

しかしながら、この時には、当該Ａで示した部分はセンサ１３ａ上には投影されず、必ずしも当該Ａの部分が出射スリット１４を通過していることを補償することができない。このため実際には、例えば当該Ａの近傍にある図１０中のＢの位置に着目し、ＡがＡ’に移動するような移動量だけＢを移動させてＢ‘とすることで、ＡをＡ’に移動する。さらに当該Ｂ’のセンサ１３ａ上での位置が変化しないように回折格子８の角度を保持することで、使用中のその場観察によって、分光器の各部分の特性変化によらず確実に所望の波長の光束を出射スリット１４から射出することが可能となる。

上記操作と同時に、後に説明するような出射スリット１４の駆動手段１５により出射スリット１４の開口幅を調整することで、出射スリット１４から射出する光束の波長域の幅を決定する。

所望の波長域を出射スリット１４に移動する際に着目する基準としては、上記のようにスペクトル中の特徴的な部位を用いてもよいし、センサ１３ａ上に観察されるスペクトル全体の形状を基準にしてもよい。これらの操作は測定者が行っても良く、公知のパターンマッチング等により自動的に行っても良い。また、所望の波長帯と出射スリット１４の位置を一致させるには、出射スリット１４の開口位置自体を移動してもよい。

更に上記では、基準スペクトル中の一部分を選択して出射スリットから射出させる方法について説明したが、図９に示したセンサ１３ａ上の位置と波長の関係４１を応用して外挿することで、基準スペクトル２５には含まれない波長（例えば、図９内のλc）を正確に射出することも出来る。

次に、上記で取得した基準スペクトル２５を使用して回折格子８の回転角を校正し、これによって出射スリット１４から所望の波長の光束を射出させる他の方法について説明する。この方法では、基準スペクトルを使用して回折格子８の回転角に対応してセンサ１３ａ上に得られることが期待されるスペクトルと、実際にセンサ１３ａ上に得られたスペクトルの差を明らかにして、その差分を考慮しながら回折格子８の回転角を適切に設定して所望の波長の光束が出射スリット１４から射出されるようにしている。このように基準スペクトルを使用して回折格子８の回転角を校正することで、実際の測定中は従来の回折格子８の回転角のみによる射出光束の波長の制御を行っても容易に高い精度を得ることが出来ることとなる。

使用による分光器各部の特性の変化分を吸収して、回折格子８の回転角と射出光束の波長の対応付けを行うための校正は以下のように行う。まず、回折格子８の角度θを基準スペクトル計測時の回折格子設定角度であるθ０に設定して、センサ１３ａによりスペクトル分布を計測する。図１１に示すように、このときの計測結果であるスペクトル分布４３とコントローラ２６の記憶手段に記憶されている基準スペクトル２５（スペクトル分布３８）を比較して、例えば特徴的部分であるＡ”を本来のＡと対応する位置になるように、その変位分４４だけ回折格子８の回転角をずらすことで行う。このときの回折格子８の角度を新たにθ０として以後の測定を行う。

上記の校正方法では、使用による分光器各部の特性の変化に起因した回折条件の変化が生じても、予め取得した基準スペクトルとの比較により回折格子８の回転角を校正することによって、回折格子８の回転角による射出光束の波長の制御を行う場合にもガスセル等を用いることなく容易に校正が可能である。

次に、図１のような構成を持つ分光器において、取得される基準スペクトルや使用時にセンサ１３ａ上に得られるスペクトル分布の分解能を高め、また出射スリット１４から射出する光束の波長選択性を高める方法について説明する。

上記で説明したように、図１において入射スリット６は光学素子４に関して光源手段と共役の位置に配置され、必要に応じて実質的な光源の大きさを制限する機能を有する。上記のように、光源手段１として例えばレーザプラズマ光源を使用した場合、光源が一定の広がりを持つことで必ずしも点光源とはならず、回折格子８上の各位置に入射する光束の入射角度が一定とはならない。このような場合には、回折格子８を入射光の基準光線に対して所定の角度に設置した場合でも、実際には異なる角度で回折格子８に入射する光が存在し、結果的に出射スリット１４（センサ１３ａ）には複数のスペクトルが重畳して投影されることとなる。

図１６（ａ）〜（ｃ）は、光源手段１に含まれる光源の大きさと、入射スリット６の開口大きさ、出射スリット１４上に得られるスペクトルの分解能について説明するための図である。図１６においては、簡単のために図１に示した分光器の光路を共軸的に表現している。図中の各符号は図１中の符号と対応する。尚、回折格子８は入射スリット６と出射スリット１４を共役の位置とする光学パワーを有することが望ましいため、図中では理解を容易にするために凸レンズとして記載してある。また回折格子８の分光作用は波長の異なる光線を図の上下方向に分離させることで表現している。

図１６（ａ）は光源手段１に含まれる光源が十分に点光源とみなせる場合について示している。この場合には、回折格子８に入射する光束は入射スリットの開口の一点から射出しているとみなせるため、回折格子８上の各位置への入射角度は一定であり、出射スリット１４上には光源が有するスペクトルがそのまま（輝線の半値幅を変えずに）投影される。

一方、実際の光源（図中の１’）は一定の広がりを持つため、入射スリット６の開口が大きい場合（図１６（ｂ））には、光源内の異なる位置から射出して回折格子８に入射する光線は、異なる角度で回折格子８に入射し、それぞれの回折光は少しずつ位置を変えて出射スリット１４上に投影される。この結果、出射スリット１４上にはこれらの回折スペクトルが重畳したものが投影され、分解能が低下する。

これに対し、一定の広がりを持つ光源を使用した場合でも、入射スリット６の開口を十分に小さくすることで（図１６（ｃ））、回折格子８に入射する光線は点光源から発せられたものとみなすことが可能となり、出射スリット１４上に形成されるスペクトル分布は十分な分解能を有することとなる。

以上、説明したように、入射スリット６の開口を小さくすることで、出射スリット１４上に形成されるスペクトル分布は十分な分解能を有することとなる。しかし、その場合には、出射スリット１４に到達する光量が低下するため、実際に分光器として所望の波長の光線を得る場合には入射スリット６の開口が一定の面積を有するように制御する必要がある。

図１において入射スリット６は、その開口の大きさを制御する制御手段７を有し、制御手段７はコントローラ２６に接続されることで入射スリット６の開口を制御している。制御手段７によって得られるスペクトル分布の分解能を高めることにより、基準スペクトルの取得や、ガスセルによる吸収線の特定、回折格子８の角度校正などを精度良く行うことが可能となる。

図１２は、本発明の実施例２の測定装置の要部概略図である。図１２においては、図１で示した部材と同一部材には同符号を示している。この実施例においては図１に示した校正に対して、出射スリット１４上にセンサ１３ｂが追加されている。

図１３は、センサ１３ａと１３ｂとを用いて得られる基準スペクトルの例を示す。図１３の基準スペクトル５２についても実施例１と同様の方法でその横軸にスペクトル各部に対応する波長が関連付けられた上で、コントローラ２６の記憶装置に記憶される。図１２に示すように出射スリット１４の開口部に相当する位置５１の両側にそれぞれセンサ１３ａと１３ｂとを設けて、当該開口部の両側に形成されるスペクトル分布を計測することで、より広い波長範囲を基準に射出光束の波長の制御や回折格子８の回転角の校正が可能となる。

図１４は、本発明の実施例３の測定装置の要部概略図である。図１４において図１で示した部材と同一部材には同符号を示している。図１４において、回折格子８による光束１０の波長分散方向に所定の長さと分解能を有する画素列からなる一次元もしくは二次元の光センサ１６が、出射スリット１４の後段に配置されている。センサ１６は挿脱機構２８により、必要に応じて光路上への挿脱が可能である。

光センサ１６は、上記の各実施例で説明したセンサ１３と同様に、基準スペクトルの取得と、回折格子８の回転角の校正に用いられる。センサ１６は出射スリット１４の開口部を塞ぐようにしてスペクトルの取得を行うため、上記のセンサ１３等のように出射スリット１４を射出する光束の波長をその場観察することは出来ない。しかしながら、比較的簡単な構成によって、センサ１３と同様に基準スペクトルとのスペクトル形状等の比較により、ガスセル等を使用せずに容易に出射スリット１４を通過した光束の波長の確認と回折格子８の回転角の校正が可能である。基準スペクトルの取得、回折格子８の回転角の校正の手順は実施例１と同様である。

図１４のように光センサ１６を出射スリット１４の後方に配置する構成は、特に出射スリット１４の開口部分が比較的広く、スリットの透過光内に複数の輝線が含まれる場合に有効である。

一方、出射スリット１４の開口幅がスペクトル内の輝線の幅に比較して小さい場合には、スペクトルの取得時に出射スリット１４の開口の幅及び位置を調整する駆動手段１５を使用することが有効である。また、駆動手段１５は分光器に望まれる射出光の波長と校正に使用する輝線等が比較的離れた波長を有する場合にも有効である。

図１５は、本発明の実施例４の測定装置の要部概略図である。図１５においては図１、図１４等で示した部材と同一部材には同符号を付している。図１５は本発明に係る分光器を特に反射率計として使用する場合の望ましい実施の形態について示している。

図１５においては、回折格子８による光束１０の波長分散方向に所定の長さと分解能を有する画素列からなる一次元もしくは二次元の光センサ１９が、出射スリット１４の後段に配置される反射ミラー１７からの反射光が入射する位置に配置されている。また、１８は当該反射ミラー１７を保持すると主にその設置角度を変化する駆動手段である。

反射ミラー１７は、出射スリット１４近傍に結像した光源像を光センサ１９に再結像することが、取得される基準スペクトルの精度を向上する点で望ましい。しかし、光センサ１９と出射スリット１４間の光学的な距離が十分に小さく、また出射スリット１４を通過する光束の開き角度が十分に小さく、輝線スペクトルの同定が可能であれば、必ずしも反射ミラー１７による結像関係は必要とされず、例えば平面ミラーを用いた場合でも、十分な精度で基準スペクトルを得ることができる。

特定波長の光線を用いて反射率を測定する反射率計では、射出される特定波長の光線を測定対象である反射面に照射し、反射された光線を光強度計に入射させてその強度を測定することが通常である。このため、本発明に係る基準スペクトルを用いた波長校正機能を有する分光器を反射率計に適用する場合には、図１５に示すように分光器の光強度計として測定光の波長分散方向に所定の長さと分解能を有する光センサ１９を使用し、反射率の測定対象であるミラーの代わりに出射スリット１４近傍に結像した光源像を光センサ１９に再結像するように反射ミラー１７を設置することで、実施例１で説明したような付加的なセンサを使用せずに同様の効果を得ることが可能となる。

光センサ１９を用いて基準スペクトルを取得する手順や、取得した基準スペクトルを使用して回折格子８の角度を校正する手順は実施例１と同様である。また、それらの工程においては、得られるスペクトル分布の幅を拡大するために、出射スリット１４の開口幅を駆動手段１５により広げることが好ましい。

更に、図１５に示した反射率計で反射率が測定されるミラーが所定の光学的パワーを有している際には、光センサ１９を当該被測定物のミラーによって出射スリット１４と共役とされる位置に配置することが望ましい。そのような配置にすることで、光センサ１９上に投影されるスペクトルの形状と基準スペクトルの対比によって、反射率の測定をすると同時に、測定光の有する波長のその場観察をすることが可能となる。

図１７は、以上説明した分光器を用いて、測定対象である光学素子の特定波長に対する反射率を測定する際の要部概略図である。上記の実施例で説明したものと同様の構成部材については同様の符号を付している。

図１７において、２０は反射率を計測する対象の光学素子（被測定物）であり、２１は光学素子２０からの反射光の大きさを計測するための強度センサであり、感度補正を行うために入射光の強度を直接測定する位置Ｔと、光学素子からの反射光の強度を測定するための位置Ｒとに移動可能とされている。上記実施例４で説明したとおり、強度センサ２１に回折格子８からの回折光束１０の分光方向に分解能を有する光センサ１９を用いることで、付加的なセンサを設けることなく基準スペクトルの取得や回折格子８の角度の校正が可能である。一方、実施例１で説明したように光センサ１３を使用することにより、出射スリット１４を通過する光束の波長が補償されている場合には、強度センサ２１として空間分解能を有さない光センサを使用することも可能である。

図１７に示した反射率計による光学素子２０の反射率の測定法について、１）実施例１に説明した方法などで出射スリット１４から所定の波長の光束が射出可能な場合と、２）実施例４で説明したような強度センサ２１として空間分解能を有する光センサ１９を使用して回折格子８の角度校正と反射率測定の両方を行う場合について、以下にそれぞれ説明する。

１）出射スリット１４から所定の波長の光束が射出可能な場合
実施例１に説明した方法で、射出光の波長のその場観察や回折格子８の角度校正が行われることで出射スリット１４から所定の波長の光束が射出させている場合、強度センサ２１として空間分解能を有さない光センサを使用し、又は空間分解能を有する光センサ１９の一部分（又は積分強度）に着目して、光学素子２０の反射率の測定を行うことができる。

最初に、特定の波長（λ）における光学素子２０の反射率を測定する方法について説明する。まず、光学素子２０を駆動手段１８により光路外に退避させて、強度センサ２１を駆動手段２２により位置Ｔに移動させる。この状態で光源手段１により発光を生じさせて、その際に光源強度モニタ２と強度センサ２１によりそれぞれの入射光の強度を測定する。

ここで、光源強度モニタ２の出力をＩ０ｔ（λ）、強度センサ２１の出力をＩｒｔ（λ）として、それらの比Ｒｔ（λ）を（１）式から求め、その波長での強度センサ２１の感度とする。

Ｒｔ（λ）＝Ｉｒｔ（λ）／Ｉ０ｔ（λ）・・・（１）
次に、光学素子２０を光路中に挿入して、計測用の光束１０との入射角が所定の角度（φ）となるように、駆動手段１８により設定する。同様に、強度センサ２１を光学素子２０からの反射光が計測できる位置Ｒに移動する。この状態で再度、光源手段１により発光を生じさせて、その際に光源強度モニタ２と強度センサ２１によりそれぞれの入射光の強度を測定する。このとき光源強度モニタ２の出力をＩｏｒ（λ）、強度センサ２１の出力をＩｒｒ（λ）とし、それらの比Ｒｒ（λ）を（２）式から求め、その波長での反射光強度とする。

Ｒｒ（λ）＝Ｉｒｒ（λ）／Ｉ０ｒ（λ）・・・（２）
このとき、当該波長λにおける光学素子２０の反射率Ｒ（λ）は（３）式で得られる。

Ｒ（λ）＝Ｒｒ（λ）／Ｒｔ（λ）・・・（３）
以上のような特定波長における光学素子２０の反射率を、一定波長域の複数の波長について行う。図１８は以上説明した方法で光学素子２０の反射率の計測を行う順序のフローチャートである。

図１８において、最初に、測定に使用する所定の波長域の光束が出射スリット１４から射出されるように回折格子８の角度と出射スリット１４の開口幅を設定する。つまり、測定に使用する光束の中心波長は回折格子８の角度により、使用する波長域の幅は出射スリット１４の開口幅により調節する。

次に、実施例１で説明したように予め求められた基準スペクトルとの比較により、射出波長域の確認を行う。この確認は、出射スリット１４上に設けられたセンサ１３に投影されたスペクトルと基準スペクトルの比較により、基準スペクトル内の所望の部位が出射スリットの位置に対応していることを確認して行う。この際に、入射スリット６の開口幅を調節して、投影されるスペクトルの分解能を調節しても良い。基準スペクトル内の所望の部位が出射スリットの位置に対応していない場合には、再度回折格子８の角度と出射スリットの開口幅を調整する。

次に、被測定物で反射された反射光の強度を図るセンサ２１の当該波長での感度（Ｒｔ(λ)）を測定する。これは上記で説明したように、波長の設定された出射スリット１４からの光束を直接センサ２１に入射させ、そのときの光源強度モニタ２との出力比を求めることで行う。

次に、被測定物で反射された反射光をセンサ２１に入射させて、当該波長での被測定物からの反射光の強度（Ｒｒ(λ)）を測定する。このときにも光源強度モニタ２との出力比を求めることにより、光源の発光強度が変化した場合にも反射率を正確に求めることが出来る。

次に、上記で求めたセンサ２１の感度（Ｒｔ(λ)）と反射光の強度（Ｒｒ(λ)）から反射率（Ｒ(λ)）を求める。以上の測定を所定の全ての波長域について行い、測定を終了する。
以上の測定を、必要とされる全ての波長域で行って測定を終了する。

２）空間分解能を有する光センサ１９を使用して回折格子８の角度校正と反射率測定を行う場合
強度センサ２１として空間分解能を有する光センサ１９を使用する場合、実施例４で説明したように、所定の反射ミラー１７を使用することで、光センサ１３のような付加的なセンサを使用することなく、回折格子８の角度校正と反射率測定の両方を行うことができる。

最初に、光センサ１９を用いて回折格子８の角度と、必要に応じて被測定物の駆動手段１８の角度の校正を行う方法について説明する。

これらの角度の校正には、実施例４で説明したような所定の反射ミラー１７を駆動手段１８に取付けて、実施例１で説明した方法と同様の方法で光センサ１９を用いて予め取得した基準スペクトルと同様のスペクトルが光センサ１９に投影される様に回折格子８の角度と駆動手段１８の角度を調整する。

この時、光センサ１９と出射スリット１４間の光学的な距離が十分に小さく、また出射スリット１４を通過する光束の開き角度が十分に小さい場合には、必ずしも反射ミラー１７による結像関係は必要とされず、例えば平面ミラーを用いた場合でも、十分な精度で回折格子８の角度と駆動手段１８の角度を校正することができる。

次に、光学素子２０の反射率の測定を行うために、反射ミラー１７を被測定物である光学素子２０と交換すると共に、上記で校正した回折格子８の角度を所定に設定して出射スリット１４から所望の波長の光束を射出させる。この状態で光学素子２０を駆動手段１８により光路外に退避させて、また光センサ１９を駆動手段２２により位置Ｔに移動させ、光源手段１により発光を生じさせて、その際に光源強度モニタ２と光センサ１９によりそれぞれの入射光の強度を測定して、上記と同様にその波長での光センサ１９の感度を求める。

次に、光学素子２０を光路中に挿入して、計測用の光束１０との入射角が所定の角度（φ）となるように、上記で校正した駆動手段１８により設定する。同様に、光センサ１９を光学素子２０からの反射光が計測できる位置Ｒに移動する。この状態で再度、光源手段１により発光を生じさせて、その際に光源強度モニタ２と光センサ１９によりそれぞれの入射光の強度を測定して、上記と同様にその波長での反射光強度とする。更に上記で求めた光センサ１９の感度と反射光強度から光学素子２０の反射率を求める。

以上の測定において、光センサ１９には必ずしも出射スリット１４を通過した光束のスペクトルが良好に投影されないため、上記の光センサ１９の感度と反射光強度を求めるに際しては、光センサ１９の全面に照射される光束の積分強度を用いることが望ましい。

図１９は、以上で説明した空間分解能を有する光センサ１９を使用して回折格子８の角度校正と反射率測定を行う場合の反射率の測定方法の流れを示す。尚、出射スリット１４上に設けた光センサ１３を用いて回折格子８の角度を校正する場合にも、図１９に示した測定の流れと同様となる。

まず、回折格子８の角度、及び反射ミラー１７を取付けた被測定物の駆動手段１８の角度を調節して、基準スペクトルと同様のスペクトルがセンサ１９に投影される様にする。このときの回折格子の角度を新たな基準とすることで角度の校正とし、以後の測定を行う。

回折格子８の角度校正を行うに際しては、実施例１で説明したように、入射スリットの開口幅を調節して光センサ１９に投影されるスペクトルの分解能を高めて校正を行っても良い。

次に校正された回折格子８の角度と出射スリットの開口幅を所定に設定し、上記図１８で説明したのと同様にセンサの感度測定と被測定物からの反射光を測定して反射率を求める。以上の測定を、必要とされる全ての波長域で行って測定を終了する。

本実施例においては、分光器を反射率計として使用する場合について説明したが、同様の操作によって透過率計としても使用できるのは明らかである。また、測定手順は必要に応じて改変することも可能である。

本発明の実施例１の概略図従来の分光器での波長校正方法の概略図従来の分光器における波長校正に係るグラフ（１）従来の分光器における波長校正に係るグラフ（２）従来の分光器における波長校正に係るグラフ（３）ガスセル非挿入時のスペクトル分布（基準スペクトル）の説明図ガスセル挿入によるスペクトル分布の変化の説明図透過率曲線の説明図スペクトル分布を測定した画素と波長の関係を示したグラフ基準スペクトルを利用した波長域選択の例の説明図基準スペクトルを利用した回折格子の角度校正の例の説明図本発明の実施例２の概略図実施例２で取得されるスペクトルの例の説明図本発明の実施例３の概略図本発明の実施例４の概略図入射スリットの波長分解能調整機能の説明図本発明の実施例５（反射率計）の概略図反射率の計測のフローチャート（１）反射率の計測のフローチャート（２）

符号の説明

１：光源手段
２：光源強度モニタ
３：入射スリット
４：光学素子（集光ミラー）
５：集光された光束
６：入射スリット（波長分解能設定スリット）
７：入射スリットの駆動手段
８：回折格子
９：回折格子の駆動手段
１０：分光された光束
１１：ガスセル
１３：光センサ
１４：出射スリット
１５：出射スリット駆動手段
１６：光センサ
１７：反射ミラー
１８：反射ミラー駆動手段
１９：光センサ
２０：計測対象ミラー
２１：光センサー
２２：光センサ駆動手段
２３：光強度センサ（従来例）
２４：基準スペクトル保持手段
２５：基準スペクトル
２６：コントローラ
２７：出射スリットを通過した光束
３１：θ〜Ｉ／Ｉ０グラフの例（ガスセル非挿入）
３２：θ〜Ｉ／Ｉ０グラフの例（ガスセル挿入）
３３：透過率プロファイルの例
３４：θ〜λ曲線の例
３５：ガスセルによる波長構成時のθ〜λ曲線
３６：誤差を持った波長構成時のθ〜λ曲線
３７：設定波長誤差量
３８：スペクトル分布の例（ガスセル非挿入）
３９：スペクトル分布の例（ガスセル挿入）
４０：透過率プロファイルの例
４１：画素〜波長プロファイルの例
４２：設定角度θ〜設定波長λプロファイル
４３：シフトしたスペクトル分布の例
４４：回折格子の角度校正量
５１：スリット部
５２：スペクトル分布の例
６３：波長分解能が低い場合の波長λａのスペクトル
６４：波長分解能が低い場合の波長λｂのスペクトル
６５：波長分解能が高い場合の波長λａのスペクトル
６６：波長分解能が高い場合の波長λｂのスペクトル

Claims

単一の光源からの光束であって溝間隔が一定の単一の回折格子で分光した光のうち、所定の波長の光を出射スリットの開口部から出射する分光器において、前記出射スリットの開口部の両側であって、
前記出射スリットの遮光部に配置され、該分光した光のうち前記出射スリットの開口部を通過しない光の少なくとも一部の光のスペクトルを取得し、取得したスペクトルに基づいて、該分光した光のうち該出射スリットの開口部から射出する光の波長を決定可能な空間分解能を持つ光センサを有していることを特徴とする分光器。
該分光した光のスペクトルの各輝線と波長とが対応づけられた基準スペクトル分布を記憶する記憶装置と、該記憶装置に記憶された基準スペクトル分布と前記取得されたスペクトルとの比較を行うことにより、前記取得されたスペクトルに基づいて該出射スリットから射出する光の波長を制御するコントローラとを有することを特徴とする請求項１に記載の分光器。
単一の光源からの光束であって溝間隔が一定の単一の回折格子で分光した光のうち、所定の波長の光を出射スリットの開口部から出射する分光器において、
前記出射スリットの開口部の両側に配置され、該分光した光のうち前記出射スリットの開口部を通過しない光のスペクトル分布を測定する光センサを有し、
前記光センサによる測定結果を用いて、該分光した光のうち前記出射スリットの開口部から出射する光の波長を制御することを特徴とする分光器。
基準スペクトル分布と前記光センサにより測定されたスペクトル分布とを比較することにより、
該測定されたスペクトル分布のうち前記所定の波長に対応する部分が前記出射スリットの開口部に移動するように、前記分光手段の角度を制御するコントローラを有することを特徴とする請求項３に記載の分光器。