JPS6041732B2

JPS6041732B2 - 偏光解析装置

Info

Publication number: JPS6041732B2
Application number: JP50036257A
Authority: JP
Inventors: 正樹山本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-03-26
Filing date: 1975-03-26
Publication date: 1985-09-18
Also published as: JPS51111372A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は単色平行光束をある偏光状態て試料に入射させ
該試料からの反射光の偏光状態を検出する偏光解析装置
に関するものである。

偏光解析法（ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ９ｐｏｌａｒｉ
ｍｅｔｒｉｃ■ｍｅｔｈｏｄ）は、物質表面の複素屈折
率Ｎ（＝ｎ＋ｌｋ）あるいはその表面に付着した薄膜の
屈折率ｎｆおよび厚さｄｆ等て代表される光学定数を極
めて精度く測定できる方法として、また極く薄い膜（例
えば単分子吸着膜）に関する測定が可能な方法として古
くからの種々の分野で使用されている。

近年、特にその高精度故に表面物理の分野での測定、研
究に多用され、発表論文の数も飛躍的に増大している。
鏡面反射をなす反射面（試料表面）に入射角φで波長λ
の単色平行光束がある偏光状態で入射した場合、反射光
は一般に偏光状態が変化する。

反″射光のｐ成分（電気ベクトルが入射面に垂直な成分
）および（電気ベクトルが入射面に垂直な成分）の振幅
反射率を複素数で表わし、それぞれＮｐ、Ｒｓとすると
、反射光の偏光状態は両者の比ρで決まり、これを普通
絶対値ｔａｎΨおよび偏角Δを用て、ρ＝ル■ｔａｎΨ
ｅｘｐ（ｉΔ）と表わす。

これらは試料の光学定数の関数てあるから、偏光状態の
変化からρを決めれは電子計算機を用いて光学定数が計
算できる。このρを求める測定法として偏光解析法では
大きく分類して、反射光のｐ成分とｓ成分との振幅反射
率の比ｔａｎΨおよび位相角Δを測定変数とするΔ−ｔ
ａｎΨ法と、Δ＝±π／２になる主人射角φｐおよびそ
のときの振幅反射率比ρｐ（■±ｔａｎΨφ＝φｐ）を
測定変数とするφｐ−ρｐ法（または主人射角測定法）
の２つがある。

主人射角法は、入射角ψｐのときのΔ−ｔａｎΨ法と考
えることができ、従つて偏光解析装置としては共通の光
学系を有するのが普通である。

具体的にこれらの測定変数をいかに精度良く測定するか
が問題になるが、いずれの方法も原理的にはいくつかの
偏光素子を用いて試料からの反射光を消光し、このクロ
スニコルの状態（消光状態）を光検出器によつて検知す
るもので、その測定精度は消光の完全さで決まる。従来
の装置ではいずれの場合も、偏光子、１１４Ｓ長板等の
位相補償子、検光子の３つの光学素子を用いて消光する
が、一般に１１破長板は偏光子および検光子に比べて製
造上高精度のものが得にくいので、この１１４波長板の
不完全さに起因して偏光子と検光子の組合せの場合に比
べて消光が不完全であつた。一方、この測定精度をおと
す原因となる１１４波長板を用いないで消光状態を検出
する主人射角測定法用の偏光解析装置が、すでに本願出
願人によつて提案されている（昭和４詳特願第１０４８
印号明細書（特公昭５２−４６８２５号公報）参照）。

以下、この装置の構成を示した第１図を参照して説明す
る。光源１から出た光はコリメータおよび単色フィルタ
等からなるコリメータ部２により単色平行光束に変換さ
れる。但し、光源１として単色光源を用いる場合には、
コリメータ部２は前記単色平フィルタを含む必要はない
。コリメータ部２からの単色平行光束はビームスプリッ
タ３を透過し、偏光子４によつて直線偏光に変換され、
試料５に入射角ψで入射される。直線偏光が試料５に入
射されることによつて試料５からの反射光は試料特有の
偏光状態となつている。試料５からの反射光は例えば平
面鏡からなる反射装置６に垂直入射され進行方向が反転
し、試料５に再びもどされる。この平面鏡からなる反射
装置６には光が垂直入射しているので、ここでの反射で
は光路の逆点を考慮すると右廻りの円偏光は左廻りにな
るが光源側から見れは偏光状態は変化しない。この反射
装置６によつて進行方向が反転した光は、試料５、偏光
子４、ビームスプリッタ３を逆行し、ビームスプリッタ
３からの反射光を光電素子７にて検出する。偏光子４の
方位角ｘ（ｐ方向基準）が試料面の１Ｐ（振幅反射率比
Ｔａｎｌｌｊ）と一致し、しかも入射角がΔ＝±π／２
になる主人射角になつた場合、試料５から偏光子４に向
かう光は、直線偏光（Δ＝２×Ｉ＝π）でしかもその偏
光面は偏光子４の透過軸と直交しているので、偏光子４
を透過せず、消光状態となる。

これを偏光子４の方位角Ｘ１および入射角ψを交互に変
えて検出すればよい。さて、現在市販されている高精度
偏光子（偏光解析装置にはグランートムソン・プリズム
が多用される。

）では、消光率Ｅ（偏光子の透過軸方向が入射直線偏光
の偏光面と一致したときの透過率Ｌと、直交した時の透
過率し、との比（し、／１０）が、１０−６程度だが、
光束の有効径を絞ればもつと小さくなり、例えばＨｅ−
Ｎｅレーザ（有効径、数コ）を用いれば、１０一習度に
向上する。光検出器によつて１％の強度変化が検知可能
だとすると、理論的には１ハ０Ｖ７（Ｒａｄ）の精度で
消光位置が決まるはずで、Ｅ＝１０−６で１０−４ｒａ
ｄ（〜２０秒）、ε＝１０３８で１０−５ｒａｄ（〜２
秒）となる。しかしながら、１１４Ｓ長板を用いた従来
の偏光解析装置では実際には装置全体としてはεが１０
−５程度以下にならず、測定精度は３×１０−４ｒａｄ
（〜１分）どまりであつた。また第１図に示した装置で
は、試料面で２回反射するため原理的に測定精度が従来
装置の２倍で、さらに１１４波長板も用いないことによ
る測定精度の向上を考えれば、従来装置に比べて測定精
度の大幅なる向上が予想されたが、実際上、予想外に悪
く反射率の高い試料の場合でもＥが１０−６程度で測定
精度は２×１０−４ｒａｄ（旬秒）になる程度で、まし
てや反射率の低い試料では従来と同程度あるいはそれ以
下に落ちてしまう。なお、反射率の低い試料の測定には
レーザ光源を用いなければならない。

すなわち、光検出器の最小検知強度しが種々のノイズで
ゼロにならないことを考慮すると、反射率の低い試料で
はし〈Ｉｍとなつてしまい、測定不可能となる。例えば
、反射防止用の蒸着膜試料では反射率は数％であり、２
回反射の場合には１回反射の場合の数％の反射強度とな
る。し、は光源の強度に比例するから、２回反射の特徴
を生かすにはし、〉Ｉ、となるように強力な光源を用意
する必要があわけである。現在、この意味ではレーザ光
源が単色平行光源として理想的であり、また既述したよ
うに偏光子の精度を上げて用いるという点からもレーザ
光源が適している。しかし、第１図の装置では後述する
原因で、レーザ光源を用いて精度を向上させることがで
きなかつた。本発明の目的は、２回反射の特徴を生かす
高精度の測定が可能な偏光解析装置を提供することにあ
る。

本発明の他の目的は、特に反射率の低い試料が適用して
高測定精度を得ることが可能な偏光解析装置を提供する
ことにある。

本発明の目的は、ほぼ偏光子の精度限界（既述のごとく
現在では１０−５ｒａｄ）まで測定精度を向上せしめる
ことができる構成の偏光解析装置を提供することにある
。

さて、本願出願人等は第１図に示した装置では、レーザ
を光源に用いても測定精度が予想外に低い（２×１０−
４ｒａｄ）ことの原因を追求した結果、次の２点が原因
であるとの結論に達した。

すなわち、（１）レーザを光源に用いると、第１図の構
成では反射装置６が外部共振器として働き、レーザの出
力が不安定になつてしまうこと。

（２）超高圧水銀灯の従来多用されている光源では測定
中ほとんど気づかなかつたが、レーザ光源ては強度の増
大に比例してビームスプリッタ３でのコリメータ２から
の光の光検出器７方向への散乱か光検出器最小検知強度
しよりあきらかに大きくなつて、結局この散乱光により
測定精度が大幅に制限されること。

上記（１）の解決策としては、レーザの可干渉度を下げ
て干渉を防ぐこと、反射装置６によつて光路を空間的に
平行移動すること等が考えられるが、前者は平行度が悪
くなるし、また後者は偏光状態に影響を与える結果とな
り、実際には不可能である。

上記（２）に関しては、ビームスプリッタの基板ガラス
の研磨状態、蒸着薄膜の種類、蒸着条件等につき種々の
実験検討を行なつたが、満足できる散乱レベルのものは
得られなかつた。

また、たといある程度満足できるビームスプリッタが得
られたとしても、ビームスプリッタ表面のよごれ、ほこ
り、きす等により散乱光が増大し、初期のレベルを長時
間保つのは極めて困難てあろう。これらの実験検討と平
行して装置の機械部分の製作精度の検討が進められ、φ
９を±１．５×１０−５ｒａｄ（〜±３秒）、Ｘｐを±
５刈０−５ｒａｄ（〜±１＠）（これらの値は極く薄い
膜の光学定数を精度よく決定するのにしばしば必要とな
る。

）で測定するためには、入射光の平行度は±１２分以内
（従来の装置ではこれより２桁程度良い平行度が必要で
、この平行度を得るコリメータは製作不可能である。）
、反射鏡６への入射角は垂直入射からｐ方向、ｓ方向に
それぞれ±３吟以内、試料面での反射ではｐ方向に±１
２分、ｓ方向に±２４分以内であればよいことがわかつ
た。これらの制限は、反射鏡６において反射した光を該
反射鏡への入射光の通路に対して、所定の範囲内で（即
ち、この反射鏡によつて試料面からの反射光をこの反射
光の通路に沿つて逆行させた場合の反射鏡よりの反射光
と実質的に同一の偏光状態をもち得る範囲内で）ずらし
てもよいことに基づくものである。これらの制限は従来
の１回反射の場合に比べてすつとゆるく、２回反射から
くる利点てあることが判明した。また、入射光の単色性
（波長λの半値幅）も１１破長板がないためずつと制限
がゆるい。例えば、比較的制限のきびしくなる透明薄膜
試料でも半値幅Ｗは ′？１１０・０であればよく、Ｅ＝１０−５，δ＝２７ｒとしてもｗ＜
．０．０４５λとなり、膜厚が小さければさらに制限は
ゆるくなる。

半値幅が狭いと同じ精度（反射光の強度が大きい程精度
が良い）を得るには、より強力な光源が必要であること
を考えると、従来よりｊ有利である。以上の検討の結果
、反射率の低い試料における２回反射の測定方式ては、
その利点を生かすには、次の条件が不可欠てある。

（１）強力な光源を用いること。

但し、波長半値幅は従来のものよりも制限がゆるい。（
２）光を偏光子に通す前に散乱物体を置かないと。

従つて、ビームスプリッタを用いる第１図の構成ではこ
の条件は満足されない。（３）反射装置に対する往路光
と復路光とを許容条件内で分離させて反射装置を外部共
振器とする共振条件から外す。

これによつて、往路光のじやまをせすに復路光を取り出
す装置を設置可能とする。本発明の構成では、これらす
べての条件を満足し得るものであり、本発明によれば、
偏光させた実質的平行光束を試料面に入射させこの試料
面からの反射光の偏光状態を検出する偏光解析装置にお
いて、第１の実質的平行光束を直線偏光させて試料面に
入射させる偏光した第２の実質的平行光束とする偏光子
装置と、試料面から反射光をこの反射光の通路に対して
わずかにずれた方向に反射させる反射装置と、該反射装
置において反射し試料面において再び反射した前記偏光
子装置を通つたあとの第３の実質的平行光束を検出器側
へ導く装置とを備え、この検出器側へ導く装置が、前記
偏光子装置に至る前記第１の実質的平行光束の通路から
外された位置関係にあることを特徴とする偏光解析それ
ぞれが得られる。

そして、前記反射装置において反射した光は、この反射
装置によつて試料面からの反射光をこの反射光の通路に
沿つて逆行させた場合の逆行した光と、実質的に同一の
偏光状態をもち得る範囲内で、前記反射装置への入射光
の通路に対してずらされている。すなわち、本発明によ
る偏光解析装置は、第１図の装置と同様測定原理に基づ
くもので、迷光、散乱光を極度に減少させた光学系を特
徴とし、従つて本発明によれば、第１図の装置の特徴を
なんら損なうことなく、ほぼ偏光子の精度限界まで測？
精度を向上せしめることができ、さらに高精度の偏光子
によつて精度は向上する。

さらに、本発明ではレーザ光源をコリメートせずに用い
ることが可能て、その結果１〜５×１０−５ｒａｄ（２
〜１０秒）の精度で測定が可能になり、第１図の装置に
比べてほぼ１桁測定精度が向上した。以下、本発明の実
施例について図面を参照して説明する。

第２図は本発明の一実施例を示す図で、Ａは側面図、Ｂ
は平面図である。

図において第１図と同一部分は同一参照符号で示してあ
る。第２図にお．いて、レーザ光源１１から出た平行光
束ａは直接偏光子４に照射される。偏光子４によつて平
行光束ａは直線偏光ｂに変換され試料５に入射される。
試料５からの反射光ｃは試料特有の偏光状態となつてい
る。主人射角入射のとき、反射光は長一軸がｐ方向また
はｓ方向に一致した楕円となり偏光子４が主方位角Ｘｐ
（Ｔａｎ−１ρｐ）に一致していると円偏光となる。試
料５からの反射光ｃは例えば平面鏡からなる反射装置６
によつて入射面に垂直な（ｓ方向）面内で極くわずか（
２４分以内）ｃと方向をずらされて反射される。このず
れ角の最大許容値は既述したごとく２４分で極めて小さ
く、反射装置６からの反射光は入射光に対して実質的に
平行であると考えられる。この反射装置６により反射さ
れた円偏光ｄはｃと回転方向が逆転し試料５へ向かう。
試料５で再び反射された光ｅは偏光子４の透過軸と直交
した直線偏光となり、従つて主人射角入射でしかも主方
位角の直線偏光は偏光子４を透過せず、クロスニコル（
消光）状態となる。これ以外の条件のときは試料５で反
射された光ｅは再び偏光子４を通り、例えば小さな反射
鏡からなる装置１３により反射され光検出器７へ導かれ
る。この消光位置はｐ方向を中心に２力所（Ｘｐ＋，Ｘ
ｐ−）であり、したがつて次のような簡単な手続で測定
が終了する。

（１）入射角φと偏光子の方位角Ｘを交互に片方すつそ
れぞれ一番暗くなるように動かせば、１つの消光位置に
収れんする（φＰ，ｘｐ＋）。

（２）次に入射角をそのままに偏光子を回わすと、もう
一カ所の消光位置が求まる（φ，，Ｘ，−）。（３）１
ｐｐ１ｔａｎ１堅１に従つてρ９が算出できる。

ここにρ９の符号は円偏光が右回りか左回りかを判定す
ればよい。この実施例の偏光解析装置を用いた結果、１
〜５×１０−５ｒａｄ（２〜１０秒）の精度での測定が
可能となつた。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、第１
図の装置に比べて測定精度が１桁近く向上する、２回反
射の測定法い必要な強力光源としてレーザ光源をコリメ
ートせずに用いることができる、反射率の低い試料でも
高精度で測定できる等の効果がある。

依上、本発明を一実施例につき説明したが、本発明の思
想はそれに限定されることなく幾多の変形が可能である
。

例えば、第２図における小さな反射鏡１３のかわりにオ
プティカルファイバを用いて偏光子４からの光を光検出
器７に導くようにすることもできる。

さらに、第２図において、試料５と反射装置６との間の
部分に電気磁気光学素子たとえばファラデーセルを配置
するか、あるいは一端がメッキされて平面鏡を構成して
いるファラデーセルを反射装置６として用いれば、さら
に精度をあげた光電測定が可能となる。

すなわち、主人射角入射で且つ偏光子が消光位置にある
ときだけ反射装置に入る偏光は円偏光となつているので
、前記ファラデーセルにかけた交流電圧によつて偏光面
をふられても影響がない。この交流電圧の周波数をｆと
すると位相敏感検波器（Ｐｈａｓｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅ
ｄｅｔｅｃｔＯｒ）を用いて７の周波数の信号の振幅が
ゼロになるように偏光子４と入射角φを変えればよい。
さらに、第２図において、試料５と反射装置６との間の
部分に偏光素子たとえばグラントムソンプリズムを配置
するか、あるいは一端がメッキされて平面鏡を構成して
いるグラントムソンプリズムを反射装置６として用いれ
ば、さらに精度をあげた自動光電測定が可能となる。

すなわち、上記グラントムソンプリズムを定速で回転さ
せると、一般には交流信号（直流成分十交流成分）とな
るが、主人射角入射で且つ偏光子４が主方位角にあると
きだけ試料面からの反射装置６方向への反射偏光は円偏
光となつているので、前記交流成分はゼロになる。回転
角をＯ（＝２πＦｔ）とすると交、流信号中のＣＯＳ２
θ，Ｓｉｎ２θの信号成分を位相敏感検波器（Ｐｈａｓ
ｅｓｅｎｓｊｔｉｖｅｄｅｔｅｃｔＯｒ）を用いて検出
し、これをそれぞれ偏光子４方位角及び入射角駆動に用
いれば自動光電測定系となる。さらに、第２図において
偏光子４と反射装置６との間の部分に位相補償子を挿入
すれは、Δ一Ｔａｎψ法に基づいて従来よりも２倍の消
光感度で測定できる。

さらに、第２図において光源１１として自色光源を用い
、１３と７との間に分光器を挿入することにより、波長
を連続的に変化させて測定ができるばかりか、主人射角
ψ９を測定するかわりにΔ＝±π／２となる波長λ９と
その時のρ９を測定するλ９−ρ９測定法が可能となる
。

さらに、第２図の実施例ではレーザ光源１１を用いたが
、そのかわりに第１図の如く従来多用されている超高圧
水銀灯等の光源１とコリメータ部２を組み合わせたもの
を用いてもよい。

また、この場合、反射装置６として凹面鏡を用い、その
曲率半径を１３から４，５を介して６にいたる光路長に
合わせ、往復の光束の分離を容易にすることもできる。
さらに、単色光を得るためのフィルタなどの装置を他の
場所に置くことも勿論可能である。なお、本発明は可視
光領域だけでなく、その他の領域例えばマイクロ波領域
や紫外線領域ての測定に有効であることは言うまでもな
い。

従つて、この出願に対して与えられた特許の技術的範囲
は、単色光と等価な電磁波（赤外線やマイクロ波や紫外
線等）による偏光解析装置にも及ぶ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基となる偏光解析装置を簡略化して示
した図てあり、第２図は本発明の一実施例を簡略化して
示した図でＡが側面図、Ｂが平面図てある。

Claims

【特許請求の範囲】

１偏光させた実質的平行光束を試料面に入射させ、こ
の試料面からの反射光の偏光状態を検出する偏光解析装
置におて、第１の実質的平行光束を直線偏光さて試料面
に入射させる、偏光した第２の実質的平行光束とする偏
光子装置と、試料面からの反射光をこの反射光の通路に
対してわずかにずれた方向に反射させる反射装置と、該
反射装置において反射し試料面において再び反射し前記
偏光子装置を通つたあとの第３の実質的平行光束を検出
器側へ導く装置とを備え、前記反射装置において反射し
た光は、この反射装置によつて試料面からの反射光をこ
の反射光の通路に沿つて逆行させた場合の逆行した光と
、実質的に同一の偏光状態をもち得る範囲内で、前記反
射装置への入射光の通路に対してずらされており、前記
第３の実質的平行光束を検出器側へ導く装置が、前記偏
光子装置に至る前記第１の実質的平行光束の通路から外
された位置関係にあることを特徴とする偏光解析装置。