JP5013777B2 - 偏光分光器 - Google Patents

Description

本発明は、所定波長の直線偏光の選択を行なう偏光分光器、特にその迷光除去機構の改良に関する。

半導体の集積化が進むにつれ、解像度を上げる手段の一つとして、光リソグラフィーの光源波長は真空紫外域へと短波長化されて来ている。また、照明光にＳ偏光を用いてコントラストを向上させる偏光照明や、偏光光源での露光が一般的になり、真空紫外域までスループットの高い偏光単色光を出射する材料評価用の分光器が必須となって来ている。

単色の直線偏光を得るために、通常の分光器を通過させた光を偏光子に通すといった構成が一般的に使用されている。しかし、このような構成では偏光子のスループットによるロスが生じてしまう。そのため、分光器をダブルモノクロメータ型とし、一方のモノクロメータで波長分散を行い、もう一方のモノクロメータに波長分散と偏光子としての機能を持たせるといったことが行なわれている。この偏光分光器は一方のモノクロメータの分散素子として結晶プリズムを用いており、この結晶プリズムに波長分散素子および偏光素子としての働きをさせることで単色の直線偏光を得ている。つまり、結晶プリズムの複屈折により常光と異常光とを分離することで、直線偏光が得られる。
また、波長分散素子として結晶プリズムを用いているため、短波長側で波長分散が急激に増大する。そのため、スリット幅を広くすることができ、結果として光のスループットが上がり、Ｓ／Ｎ比の良い測定データが得られる。

しかしながら、上記のような偏光分光器では常光と異常光の分離角が小さいため、迷光成分となる一方の直線偏光成分が十分に除去できないという問題点があった。例えば、長波長側では分散が小さいため、スリット幅を広くとることができない。一方、波長分解能を犠牲にしてスリット幅を広げると迷光が混入してしまう。また、短波長の光に対してもスリット幅を広くするとやはり迷光が混入してしまう。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、迷光除去率よく、所望の波長をもつ直線偏光を抽出することのできる偏光分光器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の偏光分光器は、一軸性の複屈折結晶プリズムと、該複屈折結晶プリズムへ入射する光を平行光とするコリメータ光学系と、前記複屈折結晶プリズムから出射する光を集光する集光光学系と、を備える。前記複屈折結晶プリズムは底面が三角形の三角柱形状で、該三角形の一辺を含む側面が光の入射及び出射する入出射面であり、該三角形の他の一辺を含む側面が反射面であり、該複屈折結晶プリズムの光学軸は底面に垂直である。そして、前記コリメータ光学系からの平行光に含まれる常光と異常光とが前記複屈折結晶プリズムの入出射面から入射し、該複屈折結晶プリズムの反射面で反射した後、該常光と該異常光とが該入出射面でコリメータ光学系と前記複屈折結晶プリズムとを結ぶ光軸に対して互いに反対側方向へ出射するように、コリメータ光学系からの光に対する複屈折結晶プリズムの入出射面の角度が設定され、前記集光光学系は、複屈折結晶プリズムの入出射面から出射する常光もしくは異常光のどちらか一方を集光するよう配置されていることを特徴とする。

上記の偏光分光器において、前記複屈折結晶プリズムにより分離される所定波長の常光および異常光の屈折率のうち、小さい方の屈折率をｎ₋、大きい方の屈折率をｎ_＋とし、前記複屈折結晶プリズムの反射面と入出射面とのなす角をαとし、前記コリメータ光学系からの光の前記複屈折結晶プリズムの入射出面への入射角をθとしたとき、
ｎ₋ｓｉｎα＜ｓｉｎθ＜ｎ_＋ｓｉｎα,
を満たすように、前記コリメータ光学系から入射する光に対する前記複屈折結晶プリズムの入出射面の角度が設定されていることが好適である。

上記の偏光分光器において、前記複屈折結晶プリズムは、負の複屈折結晶プリズムであり、前記集光光学系は、前記複屈折結晶プリズムから出射した常光を集光することが好適である。
上記の偏光分光器において、前記コリメータ光学系からの光に対する前記複屈折結晶プリズムの入出射面の角度を変更するプリズム駆動手段を備えることが好適である。

本発明にかかる偏光分光器によれば、プリズムは底面が三角形の三角柱形状で、該三角形の一辺を含む側面が光の入射及び出射する入出射面であり、該三角形の他の一辺を含む側面が反射面であり、該プリズムの光学軸は底面に垂直であり、前記プリズムの入出射面から出射する常光と異常光とが、コリメータ光学系とプリズムとを結ぶ光軸に対して互いに反対側方向へ出射するように、コリメータ光学系とプリズムとの相対的な配置及びプリズムの入出射面の角度が設定されているため、迷光となる直線偏光成分を効率良く除去することができる。

以下に図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
図１は本発明の実施形態にかかる偏光分光器の概略構成図である。本実施形態では、ダブルモノクロメータ型の偏光分光器を例に説明するが、これに限定されずその他の構成とすることも可能である。
偏光分光器１０は、第１モノクロメータ１２と、第２モノクロメータ１４とで構成される。第１モノクロメータ１２では波長選択を行い、第２モノクロメータ１４では波長選択に加え、所定方向の直線偏光の選択も行う。分光対象の光は第１モノクロメータ１２へと入射し、そこで波長選択されて第１モノクロメータから出射する。第１モノクロメータ１２から出射した光は、中間スリット１６で所望波長以外の光を遮断され、所望波長の光のみが中間スリット１６を通過して、第２モノクロメータ１４に入射する。

第２モノクロメータ１４は、コリメータ光学系（コリメータ鏡１８）と、一軸性の複屈折結晶プリズム２０と、集光光学系（集光鏡２２）と、出射スリット２４と、駆動手段２６と、を備える。なお、複屈折結晶プリズム２０の光学軸の方向は入射する光の入射面に対して垂直（図１では紙面に垂直）にとられており、光学軸に垂直な直線偏光成分（常光）と、光学軸に平行に偏光した直線偏光成分（異常光）とで屈折率が異なるため、偏光方向に応じて複屈折結晶プリズム２０から出射する方向が異なることとなる。

中間スリット１６を通過して第２モノクロメータに入射した光は、コリメータ鏡１８によって平行光とされ、複屈折結晶プリズム２０に入射する。複屈折結晶プリズム２０へ入射した光は、波長および偏光方向に応じて異なる方向へ出射される。複屈折結晶プリズム２０から出射された光は集光鏡２２によって集光され、出射スリット２４に送られる。出射スリット２４では複屈折結晶プリズム２０から特定の出射方向に出射した光以外の光が遮断され、特定の波長域および偏光方向を有する光のみが通過する。

本実施形態では一軸性の複屈折結晶プリズム２０として、常光の屈折率が異常光の屈折率よりも大きい負の複屈折性プリズムを用いている。さらに、図２に示すように、複屈折結晶プリズムとして、底面が三角形の三角柱形状のものを用いている。ここで、三角形の一辺を含む側面が光の入射及び出射する入出射面２８であり、三角形の他の一辺を含む側面が反射面３０である。また、複屈折結晶プリズム２０の光学軸は底面に垂直にとられており、光の入射面に対して光学軸が垂直となっている。

駆動手段２６は、コリメータ鏡１８からの光に対する複屈折結晶プリズム２０の入出射面（図２参照）の角度を変更する。入出射面の角度を変更することで、どの波長域の光が出射スリット２４へ向うがを選択することができる。

また、下記に詳述するように、複屈折結晶プリズム２０の入出射面から出射する常光と異常光とが、コリメータ鏡１８と複屈折結晶プリズム２０とを結ぶ光軸に対して互いに反対側方向へ出射するように、コリメータ鏡１８と複屈折結晶プリズム２０との相対的な配置、および複屈折結晶プリズム２０の入出射面の角度が設定されている。具体的には、プリズムにより分離される所定波長の常光および異常光の屈折率のうち、小さい方の屈折率をｎ₋、大きい方の屈折率をｎ_＋とし、複屈折結晶プリズム２０の反射面と入出射面とのなす角をαとし、コリメータ鏡１８からの光の複屈折結晶プリズム２０の入射出面への入射角をθとしたとき、
ｎ₋ｓｉｎα＜ｓｉｎθ＜ｎ_＋ｓｉｎα,
を満たすように、コリメータ鏡１８から入射する光に対するプリズム２０の入出射面の角度が設定されていることが好適である。

上記の構成の結果、複屈折結晶プリズム２０から出射する常光は集光鏡２２によって集光され、複屈折結晶プリズム２０から出射する異常光（迷光成分）は、コリメータ鏡１８が配置された方向、もしくはコリメータ鏡１８が配置された方向よりも図中上方向へと向うこととなる。

また、第１モノクロメータ１２は、図１に示すように、入射スリット３２と、コリメータ光学系（コリメータ鏡３４）と、プリズム３６と、集光光学系（集光鏡３８）と、駆動手段４０とを備える。分光対象となる光は、入射スリット３２を通過して第１モノクロメータ１２内へ入射する。入射スリット３２を通過した光はコリメータ鏡３４により平行光とされ、プリズム３６へ照射される。プリズム３６に入射した光は波長に応じて異なる方向へ出射される。プリズム３６から出射した光は集光鏡３８によって集光され、中間スリット１６へと送られる。中間スリット１６では、プリズム３６から特定の方向へ出射した光以外の光が遮断され、特定の波長域の光のみが通過する。また、駆動手段４０では、入射する光に対するプリズム３６の方向を変更し、どの波長域の光が中間スリット１６を通過するかを選択する。

ここで、第１モノクロメータ１２のプリズム３６に対しても、図２に示したものと同様なものを用いるが、その光学軸はプリズムの反射面に垂直にとられている。つまり、プリズムの光学軸はプリズム３６内を通過する光の光路と略平行にとられており、常光と異常光とは同一の屈折率をもつこととなる。よって、第１モノクロメータ１２では波長選択のみを行う構成となっている。

また、第１モノクロメータ１２の駆動手段４０、第２モノクロメータ１４の駆動手段２６は、従来同様波長送りカム等で構成される。また、駆動手段２６、４０は制御手段４２によって制御されている。本実施形態では、第１モノクロメータ１２のプリズム３６、第２モノクロメータ１４の複屈折結晶プリズム２０は、共に常光の屈折率分散を利用して波長分散を行なっているため、第１モノクロメータ１２の駆動手段４０の波長送りカムと、第２モノクロメータ１４の駆動手段２６の波長送りカムとは、共通のものを使用することができる。

以上が本実施形態の概略構成であり、以下にその作用について説明する。
図３は、第２モノクロメータの複屈折結晶プリズム２０の作用を示す説明図である。第１モノクロメータでは光の波長選択のみを行い、偏光方向による分離は行なわないため、第２モノクロメータの複屈折結晶プリズム２６へ入射する光は、特定の波長λを持ち、互いに直交する直線偏光成分（図では、紙面に垂直な直線偏光成分を二重丸印、紙面に平行な直線偏光成分を両矢印で示した）が重ね合わされたものである。

コリメータ鏡１８からの光は、複屈折結晶プリズム２０の入出射面２８へ所定の入射角θで入射する。複屈折結晶プリズム２０の光学軸は光の入射面に垂直（図中では紙面に垂直であり、二重丸印で示している）に取られているため、光学軸に平行な直線偏光成分（異常光）と、光学軸に垂直な直線偏光成分（常光）とは、異なる屈折率を持つ。ここでは複屈折結晶プリズムとして負の複屈折結晶のものを使用しているため、常光の屈折率の方が異常光の屈折率よりも大きい。

複屈折結晶プリズム２０の入出射面２８に入射した光は、その偏光方向に応じて異なる屈折角でプリズム２０内に進入する。屈折角が、反射面３０と入出射面２８とのなす角αよりも大きいと、光は反射面３０に反射された後、入射光よりも図中上向き方向へ入出射面２８から出射していき、反対に屈折角が角αよりも小さいと、入射光よりも図中下向きに入出射面２８から出射していくことになる。このことを利用して、本実施形態の偏光分光器では、コリメータ鏡２８から入射する光に対する複屈折結晶プリズム２０の入出射面２８の角度を次の式を満足するように設定している。
ｎ₋ｓｉｎα＜ｓｉｎθ＜ｎ_＋ｓｉｎα,
ここで、常光および異常光の屈折率のうち、小さい方の屈折率（異常光の屈折率）をｎ₋、大きい方の屈折率（常光の屈折率）をｎ_＋とした。

上記の構成の結果、集光鏡２２はコリメータ鏡１８の図中下側に設置されているため、常光成分のみを受け取ることになり、常光成分のみが出射スリット２４方向へ向うことになる。つまり、本実施形態にかかる偏光分光器によれば、求める直線偏光成分（常光）と迷光成分（異常光）とが、複屈折結晶プリズムへ入射する光に対して互いに逆方向へ出射するため、迷光成分を効率良く除去することが可能となる。

図４には本発明の実施形態にかかる複屈折結晶プリズム及び従来の結晶プリズムを用いた場合の光路の比較説明図が示されている。
この結果、本実施形態にかかる複屈折結晶プリズム２０を用いた場合を示す同図（Ａ）では、異常光は、入射光よりも図中上向き方向へ複屈折結晶プリズム２０の入出射面２８から出射し、出射スリット２４方向には向かわない。これに対し、従来の結晶プリズム５０を用いた場合を示す同図（Ｂ）では、異常光は、入射光よりも図中下向き方向へ、従来の結晶プリズム５０の入出射面２８から出射し、出射スリット２４方向へ向かう。
以上のように、本実施形態にかかる偏光分光器によれば、同図（Ａ）に示されるように、異常光は入射光よりも図中上向き方向へ複屈折結晶プリズム２０の入出射面２８から出射し、常光のみが入射光よりも図中下向き方向へ複屈折結晶プリズム２０の入出射面２８から出射し、出射スリット２４方向へ向かうので、異常光を効率よく除去することができる。

本発明の実施形態にかかる偏光分光器の概略構成図である。 本発明の実施形態にかかる偏光分光器に用いられるプリズムの斜視図である。 本発明の実施形態にかかる偏光分光器の説明図である。 本発明の実施形態にかかる複屈折結晶プリズムを用いた場合の異常光及び常光の光路の説明図である。 従来の結晶プリズムを用いた場合の異常光の光路の説明図である。

符号の説明

１０ 偏光分光器
１２ 第１モノクロメータ
１４ 第２モノクロメータ
１６ 中間スリット
１８ コリメータ鏡
２０ 複屈折結晶プリズム
２２ 集光鏡
２４ 出射スリット

Claims (4)

1. 直線偏光を選択する偏光分光器であって、
   一軸性の複屈折結晶プリズムと、
   該複屈折結晶プリズムへ入射する光を平行光とするコリメータ光学系と、
   前記複屈折結晶プリズムから出射する光を集光する集光光学系と、
   を備え、
   前記複屈折結晶プリズムは底面が三角形の三角柱形状で、該三角形の一辺を含む側面が光の入射及び出射する入出射面であり、該三角形の他の一辺を含む側面が反射面であり、
   前記複屈折結晶プリズムの光学軸は底面に垂直であり、
   前記コリメータ光学系からの平行光に含まれる常光と異常光とが前記複屈折結晶プリズムの入出射面から入射し、該複屈折結晶プリズムの反射面で反射した後、該常光と該異常光とが該入出射面でコリメータ光学系と前記複屈折結晶プリズムとを結ぶ光軸に対して互いに反対側方向へ出射するように、コリメータ光学系からの光に対する前記複屈折結晶プリズムの入出射面の角度が設定され、
   前記集光光学系は、前記複屈折結晶プリズムの入出射面から出射する常光を集光するよう配置されていることを特徴とする偏光分光器。
2. 請求項１に記載の偏光分光器において、
   前記複屈折結晶プリズムにより分離される所定波長の常光および異常光の屈折率のうち、小さい方の屈折率をｎ₋、大きい方の屈折率をｎ_＋とし、前記複屈折結晶プリズムの反射面と入出射面とのなす角をαとし、前記コリメータ光学系からの光の前記複屈折結晶プリズムの入射出面への入射角をθとしたとき、
   ｎ₋ｓｉｎα＜ｓｉｎθ＜ｎ_＋ｓｉｎα,
   を満たすように、前記コリメータ光学系から入射する光に対する前記複屈折結晶プリズムの入出射面の角度が設定されていることを特徴とする偏光分光器。
3. 請求項１または２に記載の偏光分光器において、
   前記複屈折結晶プリズムは、負の複屈折結晶プリズムであり、
   前記集光光学系は、前記複屈折結晶プリズムから出射した常光を集光することを特徴とする偏光分光器。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の偏光分光器において、
   前記コリメータ光学系からの光に対する前記複屈折結晶プリズムの入出射面の角度を変更するプリズム駆動手段を備えたことを特徴とする偏光分光器。

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