JPH0131131B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は放射の偏光状態即ち楕円率及び偏光方
向を分析するための方法に係る。本発明による装
置は薄い層の厚さを測定するために特に有利に適
用することができる。 〔従来技術〕 科学技術の多くの分野に於て、偏光を用いた光
学的方法及び装置が増々多く用いられて来てお
り、その殆どの場合に於て放射の偏光状態即ち楕
円率及び偏光方向が最大限に精密に決定されねば
ならない。 例えば、“Optikund Atomphysik”，R.W.
Pohl，Springer、1976年、第121頁及び第122頁
に記載されている従来の技術に於ては、分析され
るべき放射が回転検光子に加えられ、それを通過
した放射の強度が光検出器及び電圧計を用いて測
定されて、上記検光子の各各の回転位置の関数と
して記録される。 上記技術は極めて複雑で時間を要する以外に、
検光子を通過した放射の強度の最大値及び最小値
は比較的平坦であつて、殆どの場合不充分な精度
でしか決定され得ない。従つて速い回転速度を有
しそして角度エンコーダに接続されている検光子
を用いそしてフーリエ係数を算出するために次の
光検出器の電気的出力信号を上記角度エンコーダ
の出力に生じる電気的信号とともにコンピユータ
に供給することが提案されている。精度を増すた
めには、この方法を検光子の複数回の回転に亘つ
て行い、得られた結果の平均値を得ることが有利
であることが解つた。 技術が極めて複雑でありそして高速で回転する
素子により故障及び誤差が生じ易いこと以外にそ
れらの装置は、例えば放射の偏光を分析すること
（ellipsometry）により層の厚さを測定する場合
に、高速の回転検光子及び今日のコンピユータを
用いているにも拘らず、動的な応力を受けたり又
は振動にさらされている物体の測定が不可能な程
長時間を要するという欠陥を更に有している。回
転検光子の代りに回転補償板即ち回転する四分の
一波長板が設けられている、ドイツ特許公開公報
第2616141号明細書に記載されている装置につい
ても、同様なことが云える。 “Simulation of Mechanical Rotation by
Optical Rotation：Application to the Design
of ａ New Fourier Photopolarimeter”、J.
Opt.Soc Am.第68巻、第４号、1978年４月、第
518頁乃至第521頁に記載されている装置に於て
は、従来知られている偏光分析装置
（ellipsometer）に於て用いられている回転検光
子又は回転補償板の代りに、偏光面を回転させる
ための電気光学的又は磁気光学的手段が用いられ
ている。これらの装置は、複雑な構造を有し、従
つて誤差を生じ易く、その結果の数学的評価も複
雑で時間を要すること以外に、各々の電気光学的
又は磁気光学的手段に関連して生じる誤差のため
に、それらの分解能は回転素子を用いた偏光分析
装置の分解能よりも悪いという欠陥を更に有して
いる。 〔発明が解決しようとする問題点〕 従つて、本発明の目的は、素子を動作させるこ
となく、少ない技術的複雑さ、最小のスペース条
件、及びマイクロ秒の範囲の所要時間で、そして
相当に包括的且つ高価な装置を用いても達成され
得なかつた精度で、放射の偏光方向及び／若しく
は楕円率を決定し得る、放射の偏光状態即ち楕円
率及び偏光方向を分析するための方法を提供する
ことである。 〔問題点を解決するための手段〕 従来知られている上記の型の装置に於ては、主
として、静的偏光状態を有する放射の伝播方向に
平行な軸の周囲を回転している検光子により通過
された放射部分の強度、又は静止している検光子
により通過された放射部分の強度（この放射の偏
光方向は電気光学的又は磁気光学的手段により回
転されている）は、分析されている放射の偏光方
向と検光子の軸との間の相対的位置の関数として
評価されている。これに対して、本発明による装
置は、所定の方法で干渉縞のパターンを生じさ
せ、この干渉縞を例えば自己走査型の一次元的フ
オトダイオード・アレイまたはテレビジヨン撮像
手段により測定し、そのパターンのコントラスト
から偏光方向を決定し、干渉縞パターンのシフト
距離と上記コントラストの値から楕円率を決定す
るものである。 さて、一般的に、光は互いに直交する成分Ｘ，
Ｙをもち、次のようにあらわされる。 Ｘ＝A_xsin（ωt＋δ） ……(1) Ｙ＝A_ysin ωt ……(2) ここで、ωは、光の振動の角速度、ｔは時間、
A_xはｘ方向の振幅、A_yはｙ方向の振幅、δは２
つの成分の間の位相差である。これらの式から、
ωが既知のとき、光はA_x，A_y，δという３つの
パラメータで規定されることがわかる。 また、光が検光子を通過するものとし、検光子
の軸とｘ軸との間の角度をβとすると、検光子を
通過した光のＸ成分の振幅はA_xcosβ，Ｙ成分の
振幅はA_ysinβとなる。検光子を通過した光の最
大強度及び最小強度は位相位置により、振幅が丁
度足し合わされているとき及び打消し合つている
ときにそれぞれ得られる。また、Ｘ成分とＹ成分
の間の位相差δは、検光子を通過した光の干渉縞
の周期的強度分布の位相シフトによつて表わされ
る。 ここで、偏光方向を振幅比A_y／A_xで定義する。 一方、光の強さをＪとすると、コントラストＫ
は次の式で与えられる。 Ｋ＝J_nax−J_nio／J_nax＋J_nio ……(3) ただし、 J_nax＝（A_xcosβ＋A_ysinβ）² ……(4) J_nio＝（A_xcosβ−A_ysinβ）² ……(5) である。尚、便宜上β＝45゜と選ぶと、 Ｋ＝２／A_x／A_y＋A_y／A_x ……(6) 式(6)はコントラストＫが偏向方向A_y／A_xの関
数であることを示している。 本発明による装置を達成するためには、相互に
近距離に配置されることが出来、従つてセメント
で又は任意の他の方法により相互に接合され得
る、ウオラストン・プリズム、検光子、及びフオ
トダイオード配列体があればよい。本発明による
装置は、匹敵する測定精度を有する上記の型の他
のすべての知られている装置と比べて、小さく、
簡単及び安価であり、又故障しにくい。 〔実施例〕 次に図面を参照して、本発明による装置をその
好実施例について更に詳細に説明する。第１図に
示されている本発明による装置の１実施例は、偏
光ビーム・スプリツタ２、相互間に90゜よりも僅
かに異なる角度を有する２つの反射面３及び４、
２つの四分の一波長板５及び６、一次元的フオト
ダイオード配列体７、並びに偏光ビーム・スプリ
ツタとフオトダイオード配列体との間の配置され
た検光子８とから成り、上記検光子８はそれに入
射する２つの放射成分の偏光方向によつて形成さ
れる角度を２分する偏光方向を有する光を通過さ
せる。 反射面３に於ける垂直線は反射面４との間に小
さい角度εを有し、従つて反射面３から反射され
た成分は反射面４及びビーム・スプリツタ２から
反射された成分との間に角度2εを有する。 ビーム・スプリツタ２に於て反射又は通過され
そして相互に直角に偏光された放射成分の中、検
光子８は光を通過させる方向に偏光された部分の
みを通過させるので、完全に可干渉性の放射のみ
がフオトダイオード配列体７に達し得る。 次に、上記装置の動作について説明する。分析
されるべき放射１が、図面の面との間に45゜の角
度を有する方向に直線偏光される。それから、対
応する様に設計された、例えば幾つかの薄い層で
被覆されたガラス板から成り得る偏光ビーム・ス
プリツタ２に於て、50％の放射が反射面３の方向
に反射され、50％の放射がビーム・スプリツタを
通過して反射面４に達する。反射面３及び４で反
射された放射成分は各々四分の一波長板５及び６
を再び通過されるとき、各々の偏光方向が90゜だ
けシフトされ、従つて反射面３から反射された放
射成分は偏光ビーム・スプリツタ２に於て100％
通過しそして反射面４から反射された放射成分は
偏光ビーム・スプリツタ２に於てフオトダイオー
ド配列体７の方向に100％反射される。反射面３
及び４がフオトダイオード配列体７の表面上に均
質な明るさの分布を生じる様に相互に直角に配置
されていないので、それらの成分の光路長が左か
ら右へ増加する様に変化して、最大のコントラス
トを有する干渉縞のパターンが形成される。 上記特定の50：50％の放射の比率が100：０％
又は０：100％の比率へ移る場合、即ち入射する
放射１の偏光方向が図面の面に垂直な第１の方向
またはその第１の方向に垂直な方向に回転される
につれて、50：50％の比率で最大であるコントラ
ストが連続的に減少し、そして100：０％または
０：100％の比率に達したときコントラストが完
全に消滅する。 さて、放射１の楕円率は次のようにして求めら
れる。すなわち Ｘ＝A_xsin（ωt＋δ） ……(1) Ｙ＝A_ysin ωt ……(2) において、 Ｘ／A_x＝sinωtcosδ＋sinδcosωt ＝Ycosδ／A_y＋sinδcosωt ……(7) よつて、 cosωt＝（Ｘ／A_x−Ycosδ／A_y） ／sinδ ……(8) (2)と(8)をsin²ωt＋cos²ωt＝１に代入して変形す
ると、 （Ｘ／A_x）²＋（Ｙ／A_y）²−2XYcosδ／A_xA_y ＝sin²δ ……(9) これは、ＸとＹについての主軸が傾斜した楕円
の式である。式(9)は、 Ｘ＝（X′cosθ−Y′sinθ） ……(10) Ｙ＝（X′sinθ−Y′cosθ） ……(11) ただし、 θ＝１／２tan^-1（2A_xA_yA_x ²−A_y ²・cosδ） ……(12) の座標変換により、 （X′／A_x′）²＋（Y′／A_y′）²＝１……(13) と変形される。尚、 （１／A′_x）²＝１／sin²δ（cos²θ／A_x ²＋sin²δ／
A_y ²−2sinθcosθ／A_xA_y）……(14) （１／A′_y）²＝１／sin²δ（sin²θ／A_y ²＋cos²θ／
A_y ²＋2sinθcosθ／A_xA_y）……(15) これから楕円率A′_y／A′_xが求められる。前述の
とおり、コントラストＫはA_y／A_xの関数である
から、式(12)ないし(15)から、楕円率がコントラス
トＫと位相差δの関数であることが分かる。 次に、位相差δを干渉縞のパターンのシフト距
離から求めることについて説明する。第１図にお
いて、先ず、反射面３から検光子８を透過してフ
オトダイオード配列体７に入射する光をY_tとす
る。一方、反射面４からビームスプリツタ２で反
射され検光子８を透過してフオトダイオード配列
体に入射する光をX_tとする。そして、フオトダ
イオード配列体７におけるフオトダイオードの配
列方向をＺとする。すると、Y_tは配列体７にほ
ぼ垂直に入射するが、X_tは配列体７の面の垂直
方向に対して2εだけ傾斜して入射するのでフオト
ダイオード配列体７の面上でのX_t，Y_tの状態は
次のようになる。 ここで、λは光の波長、C₁，C₂は第１図の構
成の光路長に係わるδ及び時間とは無関係な位相
因子、また、

〔他の実施例〕

第２図に示されている、本発明による装置の特
に有利な実施例は、ウオラストン・プリズム２０
と、検光子２８と、評価面２４中に配置されたフ
オトダイオード配列体２７とから成る。分析され
るべき放射１は、ウオラストン・プリズム２０を
通過するとき、相互に直角に直線偏光された２つ
のビームに分割され、それらのビームは相互間に
小さな角度を有して、光軸からの距離の関数であ
る位相シフトを示す。これらの２つのビームのシ
フト距離の差はウオラストン・プリズム２０の左
端又は右端からのそれらの距離の関数であること
は明らかである。ウオラストン・プリズムの背後
に配置されそして相互に直角に偏光された２つの
ビームの偏光方向に関して例えば45゜だけ傾斜し
た偏光軸を有する検光子２８は、入射する放射が
少くとも部分的に偏光されそして検光子の軸に平
行な成分を有しているとき、周期的強度分布を生
じる。概して評価面２４中の干渉縞のパターンか
ら成る強度分布の周期は光の波長に比例しそして
ウオラストン・プリズムの分割角度の正弦に逆比
例する。このことは、上記式（23）からも理解さ
れよう。第１図の実施例も、第２図の実施例も、
入力された放射１を、相互に直角に直線偏光され
た２つのビームに分割し、そのビームが互いに小
さな角度を有するようにフオトダイオード配列体
に入射することによりフオトダイオード配列体上
に干渉縞パターンを生じさせるという点で原理的
に同一である。 干渉パターンの強度分布は、評価面２４中に配
置された一次元的フオトダイオード配列体２７に
よつて検出され、それから評価のために適当なア
ナログ回路又はコンピユータに供給される。フオ
トダイオード配列体２７は“自己走査型フオトダ
イオード配列体”として設計されていることが好
ましく、その様な装置は多くの設計で一般に市販
されており、安価で、故障が少なく、評価も容易
である。フオトダイオード配列体の代りに、従来
のテレビジヨン・カメラ、ワン―ライン・テレビ
ジヨン・カメラ、又は振動鏡を備えた光検出器も
用いられ得る。 検光子の背後の周期的強度分布は３つの決定要
素によつて完全に記述される。これらの３つの決
定要素は、強度分布の最大振幅、最小振幅、及び
シフト距離である。最大振幅及び最小振幅の代り
に、干渉縞パターンのコントラスト及び平均値が
同様に用いられ得る。これらの決定要素は、楕円
偏光の特性パラメータ、即ち相互に直角に偏光さ
れた部分波の振幅に、そしてそれらの相対的位相
に、簡単な方法で関連づけられる。ｙ方向に偏光
された部分波の振幅をA_yとすると、そのベクト
ル部分は、検光子の軸に平行に、βを検光子の軸
と上記部分波の偏光方向との間の角度として、
A_ysin βの量を示す。従つて、ｘ方向に偏光さ
れた部分波のベクトル成分はA_xcos βである。
最大振幅及び最小振幅は、この位相位置によりこ
れらの振幅が丁度足し合わされているとき又は打
消し合つているときに得られる。波A_yとA_xとの
間の時間の関数としての位相差は場所的に変化す
る周期的強度分布の位相シフトによつて表わされ
ることも同様に明らかである。 解釈及び限界条件を考慮することなく偏光方向
及び楕円率を明確に示し得る測定結果が必要とさ
れる場合には、１つのウオラストン・プリズム及
び１つの検光子を含みそして偏光分析装置からも
知られる様に測定された振幅とｘ方向又はｙ方向
との明確な相関関係を示し得ない上記装置の代り
に、偏光方向の１つの方向に於ける強度を更に測
定する検出器を更に加えることによつて得られる
装置を選択することが可能である。第３図に示さ
れている装置は特に有利であり、その装置は反対
の傾斜を有する２つのウオラストン・プリズム２
０Ａ及び２０Ｂ並びにそれらの背後に配置された
２つの検光子２８Ａ及び２８Ｂを含み、それらの
検光子の偏光軸は両方のウオラストン・プリズム
により生じた直線偏光成分の各々の偏光軸との間
に各々30゜又は60゜の角度、或は好ましくは45゜に対
称な他の角度を有する。それらの検光子はウオラ
ストン・プリズム及び背後のマルチダイオード配
列体ヘセメントにより又は他の手段により単一の
ユニツトとして接合されていることが好ましい。
この装置の機能は第１図及び第２図の説明から導
き出される。楕円率の変化によりこの装置に於て
入射ビームの位相シフトがその縦断面図全体に生
じた場合には、フオトダイオード配列体２７上に
形成される干渉縞のパターンが反対方向に移動す
る。しかしながら、分割面に於ける入射の方向が
変化した場合には、干渉縞のパターンは楕円率の
変化とは独立に同一方向にシフトする。従つて、
入射のシフト距離及び方向は互いに独立に決定さ
れ得る。ウオラストン・プリズムの分割角度は両
方の干渉縞のパターンが各々略２乃至３周期を含
む様に選択されることが好ましい。それから、例
えば照射の影響が“ガウス型”のレーザ・ビーム
で補償され得る様に、最大値及び最小値の包絡線
が容易に計算され又は任意の他のアナログ方法に
よつて検出され得る。 偏光状態を決定するための従来の偏光分析装置
に於て用いられている装置と比べて、本発明によ
る上記装置の調整は極めて簡単である。２つのウ
オラストン・プリズム２０Ａ及び２０Ｂは交差さ
れた検光子と平行になる様に調整される。それら
の別個の検光子は相互に90゜の軸角度上に整合さ
れる。それから、ウオラストン・プリズム及び検
光子が例えば直線偏光で照射されそして必要であ
ればコンピユータ制御の下で調整される。照射の
偏光方向は知られている必要はない。ウオラスト
ン・プリズム、検光子、及びフオトダイオード配
列体は、調整された後、好ましくはセメントによ
り直接相互に接触する様に固定され得る。この様
にして、装置全体が僅か数cm³の体積におさめられ
得る。 〔発明の効果〕 以上のように、この発明によれば、可動部分を
もたず小型化の可能な堅牢な装置によつて、放射
の偏光の楕円率及び位相差を迅速に且つ正確に測
定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置の１実施例を概略的
に示している図であり、第２図及び第３図は各々
本発明による装置の特に有利な実施例を示してい
る図である。 １……分析されるべき放射、２……偏光ビー
ム・スプリツタ、３，４……反射面、５，６……
四分の一波長板、７，２７……フオトダイオード
配列体、２０，２０Ａ，２０Ｂ……ウオラスト
ン・プリズム、２４……評価面、８，２８，２８
Ａ，２８Ｂ……検光子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (a) 分析すべき放射のビームを、直交する方
   向に直線偏光された、互いに傾斜する角度の放
   射方向をもつ２つの成分に分割し、 (b) 上記２つの成分のどちらとも異なる角度の偏
   光軸を有する検光子に、上記分割された２つの
   成分の光を指向し、 (c) 上記検光子を通過した２つの成分の光をほぼ
   平らな評価面上に指向することにより該面上に
   上記２つの成分の光の干渉パターンを生じさ
   せ、 (d) 上記干渉パターンの上記面上での最大強度
   値、最小強度値、及び上記干渉パターンの上記
   面上での所定の基準位置からのシフト距離を検
   出し、 (e) 上記検出した最大強度値及び最小強度値から
   コントラスト値を求めるとともに上記検出した
   シフト距離から２つの成分の間の位相差を求
   め、(f)上記コントラスト値と上記位相差から楕
   円率を求める段階を有する、 放射の偏光状態を分析するための方法。