以下、本発明の実施の形態を図に基づい� ��詳説する。

 まず、本発明の複屈折測定技術の原理につ� ��て説明する。本複屈折測定では、図1のよう に円偏光101を試料102へ入射させ、試料102から 出る楕円偏光103の扁平率および長軸の方位を 知ることで試料の微小な複屈折とその方位を 測定する。一般に2焦点の中点が座標系の原� �と一致する楕円は、例えば図2のような3寸法 d ₁ ,d ₂ ,d ₃ を指定すれば一意に決定される。この3寸法d ₁ ,d ₂ ,d ₃ を得るためには、アナライザ(検光子)の主軸� ��位をそれぞれの寸法の方位に一致させ、該� ��ナライザを透過した光の強度を測定すれば� ��い。そこで、本発明では、「3寸法」d ₁ ,d ₂ ,d ₃ を「3光強度」i ₁ ,i ₂ ,i ₃ と記述する。一般に、3光強度i ₁ ,i ₂ ,i ₃ それぞれの方位は互いに異なれば任意でよい 。しかし、本発明では計算の合理性から図2� �示したような0°,45°,90°の3方位とする。

 3光強度i ₁ ,i ₂ ,i ₃ と試料の複屈折位相差γおよびその進相軸方� ��φとの関係は、Jones行列による計算法により 次のように記述できる。

 ここで,i ₀ は偏光子を透過した光の振幅である。この式 をφおよびγについて解くと、
となる。ここで、数2式と数3式は後述するよ� ��にφの値によって使い分けられる。したが� �て、測定された3光強度i ₁ ,i ₂ ,i ₃ から試料の複屈折位相差γおよびその進相軸� ��位φを一意的に決定することができ、この� �とはとりもなおさず、試料の偏光状態を決� �できるのである。

 (第1の実施の形態)図3は、本発明の第1の実� �の形態の複屈折測定装置を示している。こ� �複屈折測定装置は基本構成として、単色光� �光源であるレーザ光源1、レーザ光源1からの 光束を特定の偏光軸に揃えるためのポラライ ザ3、ポラライザ3を通過した光束を円偏光さ� ��るための1/4波長板4、被測定体を設置する試 料台5、所定の3軸方向として0°軸、45°軸、90� �軸それぞれで停止して試料台5上の被測定体� ��通過した光束を解析する回転アナライザ8A� �そして回転アナライザ8Aを通過した光束を受 光し、光量(光強度)を取り出す受光素子とし� ��のCCDカメラ9、このCCDカメラ9の出力i ₁ ,i ₂ ,i ₃ を入力し、後述する所定のプログラムによる 演算処理にて被測定体の複屈折特性を算出す るコンピュータ20を備えている。尚、光源1に ついては、単色光の光源であればレーザ光源 に限らない。また、単色光源でなくても,適� �なフィルターで単色に近くしてもよい。さ� �に、ここでも以下でも採用している受光素� �としてのCCDカメラは、受光強度を計測でき� �素子であれば特にCCDカメラに限らず採用で� �る。ただし、多スポットをまとめて、例え� �各軸の25万スポットを一度に測定するために はCCDカメラ9を採用することができる。

 次に、上記構成の複屈折測定装置による� ��屈折測定方法について説明する。レーザ光� ��1は、例えばヘリウム・ネオンレーザを用い 、波長632.8nmのレーザを発光させる。尚、こ� �光源の波長としては、被測定体が半導体結� �の場合は赤外レーザを用いるなど、被測定� �を透過する波長を選ぶ。

 そしてこのレーザ光に対してポラライザ3 にて偏光方向を揃えた後、1/4波長板4に通す� �とで円偏光光束を得る。そしてこの円偏光� �束を試料台5上の被測定体に照射する。被測� ��体を通過した光は被測定体の応力分布に応� ��て楕円偏光を受ける。この楕円偏光を受け� ��光束は、所定の3軸方向それぞれで固定でき る回転アナライザ8Aに入射する。

 回転アナライザ8Aは3軸、0°、45°、90°軸に� �固定できるものであり、例えば最初に0°軸� �固定した状態で楕円偏光を受けた光束を入� �させ、0軸方向の光束を通過させてCCDカメラ9 に到達させる。CCDカメラ9はこの回転アナラ� �ザ8Aからの光束を受光してその強度に応じた 信号i ₂ をコンピュータ20に出力する。

 次に、回転アナライザ8Aを45°軸に固定し、� ��の状態で再度楕円偏光を受けた光束を入射� ��せ、45°軸方向の光束を通過させて受光素子 としてのCCDカメラ9に到達させる。CCDカメラ9� ��この回転アナライザ8Aからの光束を受光し� �その強度に応じた信号i ₁ をコンピュータ20に出力する。

 同様に、回転アナライザ8Aを90°軸に固定し� ��その状態で再度楕円偏光を受けた光束を入� ��させ、90°軸方向の光束を通過させて受光素 子としてのCCDカメラ9に到達させる。CCDカメ� �9はこの回転アナライザ8Aからの光束を受光� �てその強度に応じた信号i ₃ をコンピュータ20に出力する。

 コンピュータ20では、CCDカメラ9からの45°軸 の光強度i ₁ 、0°軸の光強度i ₂ 、90°軸の光強度i ₃ を用いて、次の数4式又は数5式を演算して、� ��測定体の複屈折の大きさγと方位角φを算出 する。

 本実施の形態で得られる光強度i ₁ ,i ₂ ,i ₃ は数6式で記述される。

 ここで、i ₀ はポラライザ3を経た後の光束の振幅、γは被 測定体に存在する複屈折の大きさ、φは被測� ��体に存在する複屈折の方位角である。この� ��6式をφ,γについて解くと、次の数7式、数8� �が得られる。

 これら数7式、数8式は上記数4式、数5式と同 じものである。よって、コンピュータ20によ� ��、光強度i ₁ ,i ₂ ,i ₃ を入力し、数4式又は数5式を演算することで� ��測定体に存在する複屈折の大きさγ、被測� �体に存在する複屈折の方位角φを算出するこ とができるのである。

 数4式と数5式との使い分け方の詳細は次の� �りである。図4に、例えば10nmの複屈折位相差 を持つ被測定体から得られる光強度i ₁ ,i ₂ ,i ₃ の理論計算結果を示す。縦軸は光強度i ₁ ,i ₂ ,i ₃ の相対強度、横軸は被測定体の複屈折の方位 角φを示す。φ=±45°のとき、図4よりi ₁ =(i ₂ +i ₃ )/2、したがって、このとき、数4式のγの右辺 は不定形となるゆえに数4式のγに代わりに、 数5式にてγを求める。

 ところで、数4式、数5式におけるφの式は逆 正接関数である。そのため、その値域は-45°� ��φ≦45°となり、φの実際にとり得る値の全� �とはならない。そこで本実施の形態では、φ の実際にとり得る値と関連づけるため、図5� �表1に示すi ₁ -(i ₂ +i ₃ )/2及び(i ₂ -i ₃ )の値の組み合わせを利用する。数4式のγと� �5式のγとの使い分けも同表1に併せてまとめ� ��ある。

 本実施の形態の複屈折測定装置及び方法� ��よれば、光束の3軸方向の光量(光強度)を1つ の光学系によって測定することができ、しか も試料台5以降には1/4波長板を必要としない� �で、図12に示した従来装置に比べて極めて簡 素な装置構成にして、被測定体に存在する微 小な複屈折の大きさ及びその方位角を精度良 く測定できる。

 図6のグラフは複屈折方位角の測定結果を 示している。これにより、精度良く被測定体 の複屈折方位角が測定できていることが分か る。

 (第2の実施の形態)本発明の第2の実施の形 態の複屈折測定装置について、図7を用いて� �明する。本実施の形態の複屈折測定装置は� �3軸方向の光強度(光量)を同時に測定するこ� �で短い測定時間で被測定体の多スポットを� �とめて、例えば25万スポットを一度に測定す ることができ、広い面積の被測定体でもその 全面の複屈折特性を短時間の内に測定するも のである。

 図7に示すように、本実施の形態の複屈折測 定装置は、単色光源としてのレーザ光源1、� �クスパンダ2、ポラライザ3、円偏光させるた めの1/4波長板4、被測定体を設置する試料台5� ��3つの光束に分離するための2つのビームス� �リッタ6A,6B、分離された3つの光束の光路上� �れぞれに、0°、45°、90°の軸方向の偏光を通 過させるアナライザ8-1~8-3、2次元的光強度分� ��を計測するためのCCDカメラ9、そして、3つ� �分離された光束をCCDカメラ9の方向に向かわ� ��るために光路上の適所に設置されたミラー1 0-1~10~6、3つの偏光方向の光束それぞれを受光 して1箇所のCCDカメラ9に向けて出光させる四� ��錐ミラー11、そして、第1の実施の形態と同� ��にCCDカメラ9の光量検出信号i ₁ ,i ₂ ,i ₃ を入力して所定の演算式に基づいて被測定体 の複屈折の大きさγ、方位角φを算出するコ� �ピュータ20から構成されている。

 次に、上記構成の複屈折測定装置による� ��屈折測定方法について説明する。レーザ光� ��1は、第1の実施の形態と同様に、例えばヘ� �ウム・ネオンレーザを用い、632.8nmのレーザ� ��発光させる。そしてエクスパンダ2にてレー ザ光束を広げた後にポラライザ3に入光させ� �。ポラライザ3にて光束の偏光方向を揃え、� ��の後、1/4波長板4に通すことで円偏光光束を 得る。そしてこの円偏光光束を試料台5上の� �測定体に照射する。被測定体を通過した光� �被測定体の応力分布に応じて楕円偏光を受� �る。この楕円偏光を受けた光束は、2つのビ� ��ムスプリッタ6A,6Bにて3つの光束に分離され� ��。そしてビームスプリッタ6A,6Bにて分離さ� �た光束それぞれは、各光路上に設置された� �ナライザ8-1~8-3それぞれに入射する。

 アナライザ8-1~8-3はそれぞれ3軸、0°、45°、9 0°軸方向の光を通過させるものである。これ らのアナライザ8-1~8~3それぞれを通過した光� �は光路上に設置されたミラー10-1~10~6により� �射されて四角錐ミラー11の3側面それぞれに� �光する。そしてこの四角錐ミラー11にて屈曲 反射された各軸の光束はCCDカメラ9に入光し� �ここで各軸の光強度に対応した電気信号に� �えられてからコンピュータ20に3軸方向の光� �度(光量)信号i ₁ ,i ₂ ,i ₃ として出力される。

 コンピュータ20では、第1の実施の形態と同� ��にCCDカメラ9からの45°軸の光強度i ₁ 、0°軸の光強度i ₂ 、90°軸の光強度i ₃ を用いて、前述の数4式又は数5式を演算して� ��被測定体の複屈折の大きさγと方位角φを算 出する。

 尚、コンピュータ20による演算処理は、第1� ��実施の形態と共通であり、数4式と数5式と� �、φの値によって使い分ける。すなわち、φ= ±45°のとき、図4よりi ₁ =(i ₂ +i ₃ )/2、したがって、このとき数4式のγの右辺は 不定形となるゆえに、数4式のγに代わりに数 5式にてγを求める。

 また、本実施の形態でも、方位角φの実際� �とり得る値と関連づけるため、図5の表1に示 すi ₁ -(i ₂ +i ₃ )/2及び(i ₂ -i ₃ )の値の組み合わせを利用する。

 本実施の形態の複屈折測定装置及び方法� ��よれば、光束の3軸方向の光量(光強度)を同� ��に測定することができ、しかも試料台5以降 には1/4波長板を必要とせず、また、ビームス プリッタも従来よりも1台少ない2台だけ備え� ��簡素な構成の装置を用いて被測定体に存在� ��る微小な複屈折の大きさ及びその方位角を� ��精度に測定できる。

 尚、本発明にあって所定の3軸方向は実施 の形態にて例示したものに限らず、3つとも� �度が異なる3軸方向を規定し、そのそれぞれ� ��方向にアナライザを設置することで同様の� ��屈折測定が可能である。また、四角錐ミラ� ��は必要に応じて採用されるものであり、こ� ��に代わる別の手段を採用することもできる� ��

 さらに、上記の各実施の形態の複屈折測定� ��置を用いた複屈折測定方法においては、次� ��ようなキャリブレーションを行うことで、� ��定系の誤差を排除した被測定体のより精度� ��高い複屈折の大きさγ _real と方位角φ _real とを求めることができる。

 (a)測定目的とする被測定体若しくは任意� ��被測定体をテスト被測定体とし、当該テス� ��被測定体を、少なくとも180°光源の光軸ま� �りに回転させつつ複屈折の大きさと方位角� �測定して複屈折の大きさの変動傾向と当該� �スト被測定体の複屈折方位角との関係を求� �、この変動傾向の原因となっている複屈折� �大きさγ’と方位角φ’を推定して、それを� ��殺する複屈折を補償複屈折r’とする。

 (b)テスト被測定体の測定結果に補償複屈� ��r’をベクトル合成して複屈折の大きさの変 動傾向と方位角との関係を再び求め、この関 係からテスト被測定体の複屈折の大きさの標 準偏差を求める。

 (c)複屈折の大きさγ’及び方位角φ’を適 宜に変えて、テスト被測定体の測定結果に当 該変更後の複屈折の大きさγ’及び方位角φ� �から求めた補償複屈折r’を再びベクトル合� ��して複屈折の大きさの変動傾向と方位角と� ��関係を改めて求め、この関係からテスト被� ��定体の複屈折の大きさの標準偏差を求める� ��

 (d)(c)の処理を繰り返してテスト被測定体� ��複屈折の大きさの標準偏差が最小となる複� ��折の大きさγ’及び方位角φ’を探索し、こ の探索の結果得られた補償複屈折を最終補償 複屈折r”とする。

 (e)(d)の処理にて得られた最終補償複屈折r ”をキャリブレーション値とする。

 (f)測定目的とする実際の被測定体に対し� ��複屈折の大きさγと方位角φを測定し、この 測定結果から複屈折rを求める。

 (g)(f)の処理で得られた実際の被測定体の複� ��折rに対して(d)の処理で得られた最終補償複 屈折r”をベクトル合成して補償済み複屈折r _real を求める。この処理にて得られた補償済み複 屈折r _real のベクトル成分が、測定系の公差を排除した 被測定体の真の複屈折の大きさγ _real と方位角φ _real である。