特許 6876189 フレネルロム、該フレネルロムを備えた計測装置及び光アッテネーター

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6876189

(24)【登録日】2021年4月27日

(45)【発行日】2021年5月26日

(54)【発明の名称】フレネルロム、該フレネルロムを備えた計測装置及び光アッテネーター

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/30 20060101AFI20210517BHJP

   G02B 5/28 20060101ALI20210517BHJP

   G02B 5/26 20060101ALI20210517BHJP

   G01N 21/21 20060101ALI20210517BHJP

【ＦＩ】

   G02B5/30

   G02B5/28

   G02B5/26

   G01N21/21 Z

【請求項の数】12

【全頁数】44

(21)【出願番号】特願2020-136037(P2020-136037)

(22)【出願日】2020年8月11日

【審査請求日】2020年12月15日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】599045936

【氏名又は名称】株式会社光学技研

(74)【代理人】

【識別番号】100088580

【弁理士】

【氏名又は名称】秋山 敦

(74)【代理人】

【識別番号】100195453

【弁理士】

【氏名又は名称】福士 智恵子

(74)【代理人】

【識別番号】100205501

【弁理士】

【氏名又は名称】角渕 由英

(72)【発明者】

【氏名】▲柳▼澤 保明

【審査官】 沖村 美由

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−２２７６１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２３５８６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−２８４７０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭４８−０９０２４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１１７３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０２０／１５３８４３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００３／０００７１５７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１８／０１４９４４８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特許第５４３８７８９（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ５／２０− ５／３０

Ｇ０２Ｂ １／１０− １／１８

Ｇ０１Ｎ２１／００−２１／０１；２１／１７−２１／６１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

等方性材料で形成された平行四辺形状の第一菱面体及び第二菱面体を備えるフレネルロムであって、
前記第一菱面体は、第一入射端面と、前記第一入射端面と平行に配置された第一出射端面と、前記第一入射端面及び前記第一出射端面と交わる第一全反射面と、前記第一全反射面と平行に配置された第二全反射面と、を有し、
前記第二菱面体は、第二入射端面と、前記第二入射端面と平行に配置された第二出射端面と、前記第二入射端面及び前記第二出射端面と交わる第三全反射面と、前記第三全反射面と平行に配置された第四全反射面と、を有し、
前記第一入射端面に入射した入射光線は、前記第一全反射面、前記第二全反射面、前記第三全反射面及び前記第四全反射面で全反射して、前記第二出射端面から出射光線として出射し、
前記第一全反射面、前記第二全反射面、前記第三全反射面及び前記第四全反射面の少なくとも１つ以上の面には、多層膜が形成されており、
前記多層膜は、前記等方性材料よりも屈折率の大きい高屈折率材料で形成された高屈折率膜と、前記等方性材料よりも屈折率の小さい低屈折率材料で形成された低屈折率膜と、が交互に積層されており、
１９０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長領域において前記入射光線に対して１８０°±１０°の位相差を与えることを特徴とするフレネルロム。

【請求項2】

前記第一全反射面、前記第二全反射面、前記第三全反射面及び前記第四全反射面の１つ又は２つの面に前記多層膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のフレネルロム。

【請求項3】

前記低屈折率材料がＭｇＦ_２であり、
前記高屈折率材料がＧｄＦ_３、ＬａＦ_３及びＮｄＦ_３からなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項１又は２に記載のフレネルロム。

【請求項4】

前記等方性材料が石英又はＣａＦ_２であることを特徴とする請求項３に記載のフレネルロム。

【請求項5】

前記等方性材料が石英であり、
前記第一菱面体及び前記第二菱面体の楔角が５３°であることを特徴とする請求項３に記載のフレネルロム。

【請求項6】

前記多層膜が４層膜であり、
１９０ｎｍ以上１２５０ｎｍ以下の波長領域において前記入射光線に対して１８０°±１０°の位相差を与えることを特徴とする請求項５に記載のフレネルロム。

【請求項7】

前記多層膜が１０層膜であり、
１９０ｎｍ以上１６３０ｎｍ以下の波長領域において前記入射光線に対して１８０°±１０°の位相差を与えることを特徴とする請求項５に記載のフレネルロム。

【請求項8】

前記等方性材料がＣａＦ_２であり、
前記第一菱面体及び前記第二菱面体の楔角が５４°であることを特徴とする請求項３に記載のフレネルロム。

【請求項9】

前記多層膜が４層膜であり、
１９０ｎｍ以上１１５０ｎｍ以下の波長領域において前記入射光線に対して１８０°±１０°の位相差を与えることを特徴とする請求項８に記載のフレネルロム。

【請求項10】

前記多層膜が１０層膜であり、
１９０ｎｍ以上１８６０ｎｍ以下の波長領域において前記入射光線に対して１８０°±１０°の位相差を与えることを特徴とする請求項８に記載のフレネルロム。

【請求項11】

請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のフレネルロムを備えることを特徴とする計測装置。

【請求項12】

請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のフレネルロムを備えることを特徴とする光アッテネーター。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、フレネルロム、該フレネルロムを備えた計測装置及び光アッテネーターに係り、特に入射光線に対して１８０度の位相差を与えるλ／２フレネルロム、該フレネルロムを備えた計測装置及び光アッテネーターに関する。

【背景技術】

【0002】

波長板は、直交する２つの偏光成分に所定の位相差（光路差）を与えて、入射偏光の状態を変える光学素子である。一般的に、波長板としては、１／２波長板（λ／２板）と１／４波長板（λ／４板）の２種類がよく利用されている。

【0003】

１／４波長板（Ｑｕａｒｔｅｒ−ｗａｖｅ ｐｌａｔｅ：ＱＷＰ）は、入射光線に対して１／４の位相差を与える波長板であり、具体的には、入射光線の電界振動方向（偏光面）にλ／４（９０°）の位相差を与える光学素子である。１／４波長板は、入射光線に対して位相差をλ／４（９０°）与え、直線偏光を円偏光に変えたり、円偏光を直線偏光に変えたりするために用いられる。

【0004】

１／２波長板（Ｈａｌｆ−ｗａｖｅ ｐｌａｔｅ：ＨＷＰ）は、入射光線に対して１／２の位相差を与える波長板であり、具体的には、入射光線の電界振動方向（偏光面）にλ／２（１８０°）の位相差を与える光学素子である。１／２波長板は、入射光線に対して位相差をλ／２（１８０°）与え、直線偏光を回転させて出射させるために用いられる。

【0005】

特許文献１には、２つの平行四辺形状の菱面体を組み合わせた位相差が１１６〜１３６°のフレネル菱面体（フレネルロム）に関して、菱面体を溶融石英製とし、４つの全反射面の上に、菱面体を構成する溶融石英よりも屈折率の低いＭｇＦ_２を３０〜４５ｎｍの範囲の厚みでコーティングすることで、１９０〜１７００ｎｍの波長範囲にわたって使用されることが記載されている。

【0006】

特許文献２には、ピンホールアレイ板と試料の間にコリメータレンズおよびフレネルロムを備えた共焦点顕微鏡に関し、プリズム面内で２回の全反射によって両偏光成分の間にπ／２の位相差を生じさせるように形成されたフレネルロムや、キング型のフレネルロムを用いること、フレネルロムに多層膜をコーティングすることで、可視光域（４００〜８００ｎｍ）で波長依存性の極めて少ない位相子として働くことが可能となることが記載されている。

【0007】

特許文献３には、測定光路中にフレネルロムと偏光子を有する反射率測定装置に関して、フレネルロムがλ／２（１８０°）遅れの位相関係を有することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特許第５４３８７８９号公報

【特許文献2】特開平６−２３５８６５号公報

【特許文献3】特開昭６１−９５２３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

近年、半導体などの高精度、高密度化に伴い、微小領域の偏光解析や高分解能な面内情報の分析が重要性を増しており、（１）位相差がλ／２（１８０°）であり、（２）使用可能な波長帯域が真空紫外から近赤外の波長領域（λ＝１９０〜２０００ｎｍ）と広帯域である汎用性の高い光学素子が必要とされているが、上記（１）及び（２）の特性を備える光学素子は存在していなかった。

【0010】

特許文献１のフレネルロムでは、４つの全反射面にＭｇＦ_２単層膜をコーティングすることで１９０ｎｍ〜１７００ｎｍの波長領域と広帯域化が可能となっているが、これは、位相差を１２６°（１１６〜１３６°）としているためである。このことは、特許文献１がエリプソメーターやポラリメーターといった測定装置を前提としており、フレネルロムで生じる位相差が、汎用性が高く、原理的には使いやすい位相差λ／４（９０°）ではなくても、装置側の調整で使用できるためである。また、特許文献１のフレネルロムは、位相差がλ／２ではない。

【0011】

特許文献２のフレネルロムでは、１つの平行四辺形状の菱面体を用いる場合、その構造上、入射光線と出射光線の光軸にズレが発生するため、光学系を組む際に、入射光線と出射光線の光軸のズレに合わせて、後の部品もずらして配置しなければならない。また、フレネルロムを回転させながら使用すると、出射光線の位置も回転してしまい、使用し難いという課題がある。さらに、キング型のフレネルロムでは、その構造上、特定の一か所以外は、入射光線と出射光線の光軸にズレが発生し光線の上下が逆転してしまうため、光線の上下を修正する部品を追加する必要があるなど使用し難いという課題がある。また、特許文献２のフレネルロムは、位相差がλ／２ではない。

【0012】

特許文献３のフレネルロムは可視光用であり、真空紫外から近赤外の波長領域で使用可能な性能を有するものではない。

【0013】

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、位相差がλ／２（１８０°）であり、真空紫外から近赤外の波長領域で使用可能であるフレネルロム、該フレネルロムを備えた計測装置及びアッテネーターを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、菱面体を形成する等方性材料よりも屈折率の大きい高屈折率膜と、菱面体を形成する等方性材料よりも屈折率の小さい低屈折率膜と、が交互に積層した多層膜を、フレネルロムの全反射面に形成することを見出し、本発明を完成するに至った。

【0015】

前記課題は、本発明のフレネルロムによれば、等方性材料で形成された平行四辺形状の第一菱面体及び第二菱面体を備えるフレネルロムであって、前記第一菱面体は、第一入射端面と、前記第一入射端面と平行に配置された第一出射端面と、前記第一入射端面及び前記第一出射端面と交わる第一全反射面と、前記第一全反射面と平行に配置された第二全反射面と、を有し、前記第二菱面体は、第二入射端面と、前記第二入射端面と平行に配置された第二出射端面と、前記第二入射端面及び前記第二出射端面と交わる第三全反射面と、前記第三全反射面と平行に配置された第四全反射面と、を有し、前記第一入射端面に入射した入射光線は、前記第一全反射面、前記第二全反射面、前記第三全反射面及び前記第四全反射面で全反射して、前記第二出射端面から出射光線として出射し、前記第一全反射面、前記第二全反射面、前記第三全反射面及び前記第四全反射面の少なくとも１つ以上の面には、多層膜が形成されており、前記多層膜は、前記等方性材料よりも屈折率の大きい高屈折率材料で形成された高屈折率膜と、前記等方性材料よりも屈折率の小さい低屈折率材料で形成された低屈折率膜と、が交互に積層されており、１９０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長領域において前記入射光線に対して１８０°±１０°の位相差を与えること、により解決される。

【0016】

このように、等方性材料で形成された平行四辺形状の第一菱面体及び第二菱面体を備えるフレネルロムにおいて、フレネルロムの４つの全反射面の少なくとも１つ以上の面に、菱面体を形成する等方性材料よりも屈折率の大きい高屈折率膜と、菱面体を形成する等方性材料よりも屈折率の小さい低屈折率膜と、が交互に積層した多層膜を形成することで、位相差がλ／２（１８０°）であり、真空紫外から近赤外の波長領域で使用可能であるフレネルロムを提供することが可能となる。

【0017】

このとき、前記第一全反射面、前記第二全反射面、前記第三全反射面及び前記第四全反射面の１つ又は２つの面に前記多層膜が形成されているとよい。
このとき、前記低屈折率材料がＭｇＦ_２であり、前記高屈折率材料がＧｄＦ_３、ＬａＦ_３及びＮｄＦ_３からなる群から選択される少なくとも一種であるとよい。
このとき、前記等方性材料が石英又はＣａＦ_２であるとよい。

【0018】

このとき、前記等方性材料が石英であり、前記第一菱面体及び前記第二菱面体の楔角が５３°であるとよい。
このとき、前記多層膜が４層膜であり、１９０ｎｍ以上１２５０ｎｍ以下の波長領域において前記入射光線に対して１８０°±１０°の位相差を与えるとよい。
このとき、前記多層膜が１０層膜であり、１９０ｎｍ以上１６３０ｎｍ以下の波長領域において前記入射光線に対して１８０°±１０°の位相差を与えるとよい。

【0019】

このとき、前記等方性材料がＣａＦ_２であり、前記第一菱面体及び前記第二菱面体の楔角が５４°であるとよい。
このとき、前記多層膜が４層膜であり、１９０ｎｍ以上１１５０ｎｍ以下の波長領域において前記入射光線に対して１８０°±１０°の位相差を与えるとよい。
このとき、前記多層膜が１０層膜であり、１９０ｎｍ以上１８６０ｎｍ以下の波長領域において前記入射光線に対して１８０°±１０°の位相差を与えるとよい。

【0020】

また、前記課題は、本発明の計測装置によれば、上記のフレネルロムを備えること、により解決される。
また、前記課題は、本発明の光アッテネーターによれば、上記のフレネルロムを備えること、により解決される。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、等方性材料で形成された２つの平行四辺形状の菱面体を備えるフレネルロムにおいて、菱面体を形成する等方性材料よりも屈折率の大きい高屈折率膜と、菱面体を形成する等方性材料よりも屈折率の小さい低屈折率膜と、が交互に積層した多層膜を、４つの全反射面の少なくとも１つ以上の面に形成することで、位相差がλ／２（１８０°）であり、真空紫外から近赤外の波長領域で使用可能となる。

【0022】

また、本発明のフレネルロムは、上記の特性を備えているため、各種の測定装置、分析装置、検査装置、観察装置を含む計測装置に適用することで、微細領域の検査、微小領域を観察、様々な偏光計測を行うことが可能となる。さらに、本発明のフレネルロムは、光アッテネーターに適用することで、レーザー装置の発振光の光量や、白色光の光量を調整することも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1A】本発明の一実施形態に係るフレネルロムの概略構成図である。

【図1B】フレネルロムの各全反射面に施された多層膜の構成を示す模式的断面図である。

【図2A】石英製フレネルロムの各全反射面への入射角と位相差の関係を波長毎に示したグラフであり、各全反射面に多層膜が無い状態での計算値である。

【図2B】フレネルロムにおける入射角と楔角の説明図である。

【図3】石英よりも小さい屈折率をもつＭｇＦ_２材料による膜を全反射面に施した場合の位相差の変化の様子を示すグラフである。

【図4】石英よりも大きい屈折率をもつＧｄＦ_３材料による膜を全反射面に施した場合の位相差の変化の様子を示すグラフである。

【図5】全反射面に施した膜の構成と位相差について示すグラフである。

【図6】図５の紫外光から可視光領域を拡大したグラフである。

【図7】実施例１で検討を行った石英製のλ／２フレネルロムの概要図である。

【図8】実施例１−１の石英製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図9】実施例１−２の石英製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図10】実施例１−３の石英製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図11】実施例１−４の石英製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図12】実施例１−５の石英製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図13】実施例１−６の石英製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図14】実施例１−７の石英製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図15】実施例１−８の石英製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図16】実施例１−９の石英製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図17】実施例１−１０の石英製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図18】実施例１−１１の石英製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図19】実施例２で検討を行ったＣａＦ_２製のλ／２フレネルロムの概要図である。

【図20】実施例２−１のＣａＦ_２製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図21】実施例２−２のＣａＦ_２製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図22】実施例２−３のＣａＦ_２製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図23】実施例２−４のＣａＦ_２製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図24】実施例２−５のＣａＦ_２製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図25】実施例２−６のＣａＦ_２製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図26】実施例２−７のＣａＦ_２製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図27】実施例２−８のＣａＦ_２製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図28】実施例２−９のＣａＦ_２製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図29】実施例２−１０のＣａＦ_２製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図30】実施例２−１１のＣａＦ_２製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図31】４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による５０層膜を有する石英製とＣａＦ_２製のλ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図32】４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による５０層膜を有する本実施形態のフレネルロムＨＷＰと、従来から存在する各種フレネルロムによる位相差の波長特性について比較したグラフである。

【図33A】石英製の膜無しλ／２フレネルロムと、全反射面にＭｇＦ_２単層膜を形成した従来のフレネルロム（ＭｇＦ_２単層膜）の概要図である。

【図33B】４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による５０層膜を有する本実施形態のフレネルロムＨＷＰと、石英製の膜無しλ／２フレネルロムと、全反射面にＭｇＦ_２単層膜を形成した従来のフレネルロム（ＭｇＦ_２単層膜）と、全反射面にＧｄＦ_３単層膜を形成した従来のフレネルロム（ＧｄＦ_３単層膜）の位相差の波長特性を比較したグラフである。

【図34A】石英製λ／２フレネルロム１個型の概要図である。

【図34B】石英製の膜無しλ／２フレネルロム１個型と、４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による５０層膜を有する本実施形態のフレネルロムＨＷＰの位相差の波長特性を比較したグラフである。

【図35A】石英製λ／２フレネルロムキング型の概要図である。

【図35B】石英製の膜無しλ／２フレネルロムキング型と４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による５０層膜を有する本実施形態のフレネルロムＨＷＰの位相差の波長特性を比較したグラフである。

【図36】実施例３−１−１の石英製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図37】実施例３−１−２の石英製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図38】実施例３−１−３の石英製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図39】実施例３−１−４の石英製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図40】実施例３−２−１の石英製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図41】実施例３−２−２の石英製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図42】実施例３−２−３の石英製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図43】実施例３−２−４の石英製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【図44】実施例４−１の石英製λ／２フレネルロムにおける位相差の波長特性について示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、図１Ａ乃至図４４を参照しながら、本発明の一実施形態（以下、本実施形態）に係るフレネルロムについて説明する。本実施形態に係るフレネルロムＨＷＰは、真空紫外から近赤外の波長領域において位相差の波長依存性が小さい多層膜付きのλ／２フレネルロム（位相子）である。

【0025】

本願明細書において、○ｎｍ〜△ｎｍは、○ｎｍ以上△ｎｍ以下を意味する。
本明細書において、「コンタクト」とは、一対の隣接するプリズムが相互に接触して配置されていることをいい、直接接合されているオプティカル・コンタクトのほか、接着による接合も含まれる。
また、本明細書において、プリズム素子（菱面体）が「対向」するとは、直接接合されているオプティカル・コンタクトの場合と、接着剤など、何かを介在させて接合されている接着の場合、空気層を介在させている場合とを含む。

【0026】

［１．本実施形態のフレネルロムＨＷＰの構造］
本実施形態のフレネルロムＨＷＰ（λ／２フレネルロム、λ／２波長板）は、平行四辺形状のプリズム素子を２つ組み合わせた構造（ダブル型のフレネルロム）であり、具体的には、図１Ａに示すように、断面（図１Ａの面と平行な断面、つまり、後述する各入射端面、出射端面、全反射面と直交する断面）が平行四辺形の平行四辺形状の第一菱面体１０及び第二菱面体２０を備えている。第一菱面体１０及び第二菱面体２０は、同一形状であり、等方性材料で形成されている。

【0027】

（第一菱面体１０）
第一菱面体１０は、第一入射端面１１と、第一入射端面１１と平行に配置された第一出射端面１２と、第一入射端面１１及び第一出射端面１２と交わる第一全反射面１３と、第一全反射面１３と平行に配置された第二全反射面１４と、を有している。

【0028】

第一菱面体１０において、第一入射端面１１及び第一出射端面１２は互いに平行であり、かつ、第一全反射面１３及び第二全反射面１４は互いに平行である。また、第一菱面体１０において、第一入射端面１１と第一全反射面１３との間、及び、第一出射端面１２と第二全反射面１４との間は、互いに９０度よりも小さい角度（楔角α）で交わっている。さらに、第一菱面体１０において、第一入射端面１１と第二全反射面１４との間、及び、第一出射端面１２と第一全反射面１３との間は、互いに９０度よりも大きい角度で交わっている。

【0029】

（第二菱面体２０）
第二菱面体２０は、第二入射端面２１と、第二入射端面２１と平行に配置された第二出射端面２２と、第二入射端面２１及び第二出射端面２２と交わる第三全反射面２３と、第三全反射面２３と平行に配置された第四全反射面２４と、を有している。

【0030】

第二菱面体２０において、第二入射端面２１及び第二出射端面２２は互いに平行であり、かつ、第三全反射面２３及び第四全反射面２４は互いに平行である。また、第二菱面体２０において、第二入射端面２１と第三全反射面２３との間、及び、第二出射端面２２と第四全反射面２４との間は、互いに９０度よりも小さい角度（楔角α）で交わっている。さらに、第二菱面体２０において、第二入射端面２１と第四全反射面２４との間、及び、第二出射端面２２と第三全反射面２３との間は、互いに９０度よりも大きい角度で交わっている。

【0031】

第一菱面体１０及び第二菱面体２０は、第一菱面体１０の第一出射端面１２と、第二菱面体２０の第二入射端面２１とが互いに平行になるように対向して配置されている。第一出射端面１２と第二入射端面２１は、オプティカル・コンタクトによる直接接合とすることが好適であるが、紫外線透過接着剤を用いた接着固定とすることや、接合を行わずに隙間を空けて配置することも可能である。

【0032】

上述したように第一菱面体１０の第一入射端面１１と第一全反射面１３（第一出射端面１２と第二全反射面１４）は楔角αをなしており、同様に、第二菱面体２０の第二入射端面２１と第三全反射面２３（第二出射端面２２と第四全反射面２４）も楔角αをなしている。ここで、楔角αは、第一菱面体１０及び第二菱面体２０を構成する等方性材料の種類に応じて適宜設定することが可能であり、等方性材料が石英の場合には楔角α＝５３°とし、等方性材料がＣａＦ_２の場合には楔角α＝５４°とすればよい。

【0033】

（等方性材料）
第一菱面体１０及び第二菱面体２０は、等方性材料から形成されており、上述した図１Ａは、等方性材料として石英を使用した場合を示している（楔角α＝５３°）。等方性材料としては、真空紫外から近赤外の波長領域を透過する材料であれば良く、入手性の観点から石英（溶融石英：屈折率ｎ＝１．４６＠５５０ｎｍ）やフッ化カルシウム（ＣａＦ_２：屈折率ｎ＝１．４４＠５４６ｎｍ）を用いると好適である。なお、用いる等方性材料については、位相差を劣化させてしまうような素材の欠陥や歪などがないことも重要であり、ＣａＦ_２よりも石英（溶融石英）を用いることが好ましい。

【0034】

第一菱面体１０の第一入射端面１１に入射した入射光線Ｉは、第一全反射面１３、第二全反射面１４、第三全反射面２３、第四全反射面２４の順で全反射して（反射光線Ｒ）、第二出射端面２２から出射光線Ｅとして出射する。フレネルロムＨＷＰでは、真空紫外から近赤外の波長領域において入射光線Ｉに対して略１８０°（具体的には、１８０°±１０°）の位相差を与えた出射光線Ｅが出射される。

【0035】

フレネルロムＨＷＰを使用する時、第一菱面体１０の第一入射端面１１に対して、外部から実質的に垂直に入射させられた入射光線Ｉは、次のように進む。入射光線Ｉは、第一菱面体１０の第一全反射面１３及び第二全反射面１４において内部反射し、反射光線Ｒは、第一菱面体１０の第一出射端面１２から第二菱面体２０の第二入射端面２１へと出射する。そして、第一菱面体１０の第一出射端面１２から第二菱面体２０の第二入射端面２１へと入射した反射光線Ｒは、第三全反射面２３と第四出射端面２４において内部反射し、反射光線Ｒは、第二菱面体２０の第二出射端面２２から出射光線Ｅとして出射する。

【0036】

本実施形態のフレネルロムＨＷＰは、同一の平行四辺形状のプリズム素子を２つ組み合わせた構造であり、入射光線Ｉと出射光線Ｅの光軸がずれない。換言すると、入射光線Ｉと出射光線Ｅが一直線になり、入射光線Ｉと出射光線Ｅの光軸が（略）同軸となる。つまり、本実施形態のフレネルロムＨＷＰを光軸Ｘの周りで回転させても、出射光線Ｅの位置が変わらないという特長がある。

【0037】

（多層膜Ｍ）
第一全反射面１３、第二全反射面１４、第三全反射面２３及び第四全反射面２４は、その面上に、第一菱面体１０及び第二菱面体２０を構成する等方性材料とは異なる屈折率の多層膜Ｍがコーティングされている（図１Ｂ）。

【0038】

ここで、多層膜Ｍは、第一菱面体１０及び第二菱面体２０を構成する等方性材料よりも屈折率の大きい高屈折率材料で形成された高屈折率膜Ｍ_Ｈと、第一菱面体１０及び第二菱面体２０を構成する等方性材料よりも屈折率の小さい低屈折率材料で形成された低屈折率膜Ｍ_Ｌと、が交互に積層されている。高屈折率膜Ｍ_Ｈと低屈折率膜Ｍ_Ｌの積層の順序は図１Ｂに示すように、基板となる等方性材料の上に、高屈折率膜Ｍ_Ｈ、低屈折率膜Ｍ_Ｌの順で積層されていてもよいし、基板となる等方性材料の上に、低屈折率膜Ｍ_Ｌ、高屈折率膜Ｍ_Ｈの順で積層されていてもよい。

【0039】

入射光線Ｉは、第一全反射面１３、第二全反射面１４、第三全反射面２３及び第四全反射面２４で全反射し、同時にｐ偏光とｓ偏光に位相差が発生する。通常、全反射に伴って生じる位相差は、波長が短くなるにつれて大きくなってしまう。そこで、フレネルロムＨＷＰでは、第一菱面体１０及び第二菱面体２０を構成する等方性材料（石英やＣａＦ_２）よりも大きい屈折率の高屈折率膜Ｍ_Ｈと、小さい屈折率の低屈折率膜Ｍ_Ｌからなる２種類の膜材料が交互に積層された多層膜Ｍを４つの全反射面の少なくとも１つ以上の面に施している。

【0040】

高屈折率膜Ｍ_Ｈを構成する高屈折率材料としては、フッ化ガドリニウム（ＧｄＦ_３：屈折率ｎ＝１．５９＠５５０ｎｍ）、フッ化ランタン（ＬａＦ_３：屈折率ｎ＝１．５９＠５５０ｎｍ）及びフッ化ネオジム（ＮｄＦ_３：１．６１＠５５０ｎｍ）が例示されるが、これらの物質に限定されるものではない。また、低屈折率膜Ｍ_Ｌを構成する低屈折率材料としては、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２：屈折率ｎ＝１．３８〜１．４０＠５５０ｎｍ）が例示されるが、これに限定されるものではない。

【0041】

高屈折率膜Ｍ_Ｈ及び低屈折率膜Ｍ_Ｌは、真空蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング等の方法により形成することが可能である。高屈折率膜Ｍ_Ｈ及び低屈折率膜Ｍ_Ｌの膜厚は、材料の種類に依存し、例えば、１００Å以上６５０Å以下とすればよいが、この範囲に限定されるものではない。

【0042】

フレネルロムＨＷＰは、４つの全反射面の少なくとも１つ以上の面が、上述の多層膜Ｍを有していることで、真空紫外から近赤外の波長領域（例えば、１９０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長領域）において位相差の波長依存性を小さくする事を可能となっている。

【0043】

（素子のサイズについて）
本実施形態のフレネルロムＨＷＰについて、素子の幅Ｗ（素子の厚み）、素子の開口Ｋ、素子の高さＨ、素子の長さＬを、図１Ａに示すように定義する。第一菱面体１０及び第二菱面体２０を構成する等方性材料が石英であるとき、楔角α＝５３°であり、素子の幅Ｗ：素子の開口Ｋ：素子の高さＨ：素子の長さＬ＝１０ｍｍ：１０ｍｍ：２２．８ｍｍ：３３．９ｍｍとなる。また、第一菱面体１０及び第二菱面体２０を構成する等方性材料がＣａＦ_２であるとき、楔角α＝５４°であり、素子の幅Ｗ：素子の開口Ｋ：素子の高さＨ：素子の長さＬ＝１０ｍｍ：１０ｍｍ：２３．１ｍｍ：３６．０ｍｍとなる。

【0044】

このように、本実施形態のフレネルロムＨＷＰでは、素子の幅Ｗ又は素子の開口Ｋの比を１としたときに、素子の高さＨや素子の長さＬの比が約２．２〜３．６、つまり、２．２以上３．６以下となり、素子の高さが高くなることや、素子の長さが長くなってしまうことが無く、素子のサイズを小型なものにすることが可能である。

【0045】

［２．全反射面への多層膜の適用による位相差への効果］
図２Ａは、石英における各全反射面への入射角と位相差の関係を波長毎に示したものである。図２Ｂは、フレネルロムにおける入射角θと楔角αの説明図である。フレネルロムに光線を垂直入射した場合、楔角α＝入射角θとなる。各全反射面に多層膜が無い状態での計算値である。フレネルロムは、光線が全反射する際にｐ偏光とｓ偏光に位相差が生じる事を利用した位相子であり、生じる位相差は、素材の屈折率と全反射角に依存する。屈折率には、波長依存性がある為、生じる位相差にも、波長依存性が出てしまう。

【0046】

図１Ａに示すフレネルロムＨＷＰのような、４回全反射させる屋根型（ダブル型）と呼ばれる構造の場合、位相差１８０°（λ／２）を得る為には、全反射１回当たりの位相差が、４５°になるような楔角にする必要がある。しかし、図１Ａに示すフレネルロムＨＷＰの場合、可視から近赤外の波長領域では、図２Ａに示すように位相差を４５°にすることが出来ない。また、図３や図４に示すように、波長が長くなるほど、膜によって位相差を調整することが難しくなるため、楔角は、可視から近赤外の波長領域で位相差が４５°に近くなる５３°としている。

【0047】

図３に、石英よりも小さい屈折率をもつＭｇＦ_２材料による膜を全反射面に施した場合の位相差の変化の様子を示す（楔角α＝５３°のフレネルロム）。石英よりも小さい屈折率を持つ材料の膜では、膜厚を厚くすると、全体的な位相差は小さくなる傾向にある。

【0048】

図４に、石英よりも大きい屈折率をもつＧｄＦ_３材料による膜を全反射面に施した場合の位相差の変化の様子を示す（楔角α＝５３°のフレネルロム）。大きな屈折率を持つ材料の膜では、膜厚を厚くすると、全体的な位相差は大きくなる傾向にある。更に、膜厚を厚くしていくと、８００Åの場合で示されるように、紫外領域の位相差にうねりが発生する。

【0049】

図５及び図６に、全反射面に施した膜の構成と位相差について示す。図５及び図６に示すように、位相差１８０°±１０°の範囲を見ていくと、ＧｄＦ_３膜／ＭｇＦ_２膜の積層数を増やすことで、うねりの数が増えて行き、位相差が１８０°±１０°となる波長範囲が広がっていくことがわかる。このように、多層膜Ｍを２０層や５０層と積層させることで、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍで位相差が１８０°±１０°となる。
多層膜Ｍの積層数を増やすと、素子の作製に手間がかかるため、多層膜Ｍを４層〜１０層程度とすることが好適である。多層膜Ｍが４層膜である場合でも、波長λ＝１９０〜１０００ｎｍで位相差が１８０°±１０°となり、従来技術にはない優れた位相差性能を持った実用的な位相子を実現することが可能となる。

【0050】

［３．本実施形態のフレネルロムＨＷＰの応用例］
本実施形態のフレネルロムＨＷＰの応用例について、以下に示す。本実施形態のフレネルロムＨＷＰは、計測装置に応用可能である。ここで、「計測装置」とは、各種の測定装置、分析装置、検査装置、観察装置を含むものとする。

【0051】

半導体検査装置は、微細領域の検査を行う装置であり、紫外光を積極的に利用するため、真空紫外から近赤外の波長領域で使用可能な本実施形態のフレネルロムＨＷＰを用いると好適である。白色光の偏光を利用している半導体検査装置であれば、本実施形態のフレネルロムＨＷＰが利用可能である。

【0052】

また、本実施形態のフレネルロムＨＷＰを、微小領域を観察するための観察装置に適用することも可能である。偏光を制御することでコントラストを向上できる場合がある。より微細な観察を行うためには、短い波長も使った観察が必要になるため、本実施形態のフレネルロムＨＷＰを使用するメリットがある。

【0053】

さらに、異物検知を行うため、異物からの散乱光の偏光状態が正常な部分と異なる特性を利用した観察装置や検査装置、具体的には、半導体ウエハー上の配線パターンの偏光状態を観察して異物を発見する装置に本実施形態のフレネルロムＨＷＰを適用することができる。装置によって、偏光の利用方法は異なるが、偏光情報から半導体の各プロセスで発生した異常（不良）を発見する際に、本実施形態のフレネルロムＨＷＰを位相差９０°（λ／４）の位相子と組み合わせることで、様々な偏光計測が可能となる。

【0054】

また、膜厚計に本実施形態のフレネルロムＨＷＰを適用することができる。膜厚計は、主に半導体プロセス中の検査などに用いられるが、フィルム厚、塗装厚等を測定するなど、他の膜状の物の検査にも使われている。膜厚計の測定原理は、様々であるが、エリプソメーター同様の偏光解析で膜厚を測定する装置もある。

【0055】

その他、本実施形態のフレネルロムＨＷＰは、機器偏光を低減させるための偏光解消素子の代わりに使用することができる。反射光学系では、ｐ偏光とｓ偏光の反射率が異なるため、入射光線の偏光状態が異なる場合や変動する場合、透過率が異なったり、変動したりする。このことを防止するために、入射光線の偏光状態を一定にしたり、光学系からの出射光線の偏光状態を一定にしたりすることがある。精密な計測を行う装置の場合には、入射光線や出射光線の偏光状態を一定にすることが必要になる。本実施形態のフレネルロムＨＷＰを位相差９０°（λ／４）の位相子と組み合わせることで、いかなる偏光状態も作り出すことができるため、入射光線や出射光線の偏光状態を一定にすることが可能となる。

【0056】

また、本実施形態のフレネルロムＨＷＰは、光アッテネーターに応用可能である。レーザー装置の発振光の光量調整は、安定性確保のため、レーザー装置外部で波長板と偏光子を組み合わせた光アッテネーターで行う事がある。この光アッテネーターに用いられる波長板を、本実施形態のフレネルロムＨＷＰとすることで、光量を調整することが可能となる。加えて、本実施形態のフレネルロムＨＷＰは、広帯域偏光子と組み合わせる事で、従来には実現できなかった、真空紫外〜赤外域までの光を一緒に調光することが出来る広帯域な光アッテネーターを構成することが可能である。

【実施例】

【0057】

以下、実施例に基づき、本発明の多層膜付きλ／２フレネルロムについて更に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

【0058】

以下の実施例では、菱面体を形成する等方性材料として石英又はＣａＦ_２を用い、フレネルロムＨＷＰに多層膜Ｍを形成した際の位相差の波長特性を示す。具体的には、石英製とＣａＦ_２製のフレネルロムＨＷＰの４つの全反射面の少なくとも１つ以上の面に、膜材料が異なる３種類の多層膜（２〜５０層膜）をそれぞれ成膜したものを示す。

【0059】

＜実施例１．多層膜付き石英製λ／２フレネルロム＞
石英製のλ／２フレネルロムの４つ全ての全反射面に、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２、ＬａＦ_３／ＭｇＦ_２、ＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２の多層膜を成膜した場合における位相差の波長特性を実施例１−１．〜１−１１．に示す。図７は、石英製のλ／２フレネルロムの概要図で、多層膜の種類（構成）によらず同一の形状である。なお、２つの菱面体をオプティカル・コンタクトした場合と、互いに離して平行に並べた場合の位相差に違いはない。また、図７に示す石英製のλ／２フレネルロムは、同一の平行四辺形状のプリズム素子を２つ組み合わせた構造であり、入射光線Ｉと出射光線Ｅの光軸がずれない。換言すると、入射光線Ｉと出射光線Ｅが一直線になり、入射光線Ｉと出射光線Ｅの光軸が（略）同軸となる。

【0060】

（実施例１−１．石英製λ／２フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜）
図８に４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表１に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜１１３５ｎｍの範囲で１７０〜１９０°の位相差にする事が可能になる。

【0061】

【表1】

【0062】

（実施例１−２．石英製λ／２フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の４層膜）
図９に４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による４層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表２に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の４層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜１２５０ｎｍの範囲で１７０〜１８２．３°の位相差にする事が可能になる。

【0063】

【表2】

【0064】

（実施例１−３．石英製λ／２フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の１０層膜）
図１０に４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による１０層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表３に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の１０層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜１６３２ｎｍの範囲で１７０〜１８２．６°の位相差にする事が可能になる。

【0065】

【表3】

【0066】

（実施例１−４．石英製λ／２フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２０層膜）
図１１に４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２０層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表４に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２０層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜１８７２ｎｍの範囲で１７０〜１８７．６°の位相差にする事が可能になる。

【0067】

【表4】

【0068】

（実施例１−５．石英製λ／２フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の５０層膜）
図１２に４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による５０層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表５に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の５０層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で１７４．９〜１８７．８°の位相差にする事が可能になる。

【0069】

【表5】

【0070】

（実施例１−６．石英製λ／２フレネルロム、ＬａＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜）
図１３に４つの全反射面にＬａＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表６に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＬａＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜１２３３ｎｍの範囲で１７０〜１９０°の位相差にする事が可能になる。

【0071】

【表6】

【0072】

（実施例１−７．石英製λ／２フレネルロム、ＬａＦ_３／ＭｇＦ_２の４層膜）
図１４に４つの全反射面にＬａＦ_３／ＭｇＦ_２による４層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表７に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＬａＦ_３／ＭｇＦ_２の４層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜１６１８ｎｍの範囲で１７０〜１８２．８°の位相差にする事が可能になる。

【0073】

【表7】

【0074】

（実施例１−８．石英製λ／２フレネルロム、ＬａＦ_３／ＭｇＦ_２の１０層膜）
図１５に４つの全反射面にＬａＦ_３／ＭｇＦ_２による１０層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表８に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＬａＦ_３／ＭｇＦ_２の１０層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で１７４．１〜１８６．６°の位相差にする事が可能になる。

【0075】

【表8】

【0076】

（実施例１−９．石英製λ／２フレネルロム、ＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜）
図１６に４つの全反射面にＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表９に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜１２４０ｎｍの範囲で１７０〜１９０°の位相差にする事が可能になる。

【0077】

【表9】

【0078】

（実施例１−１０．石英製λ／２フレネルロム、ＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２の４層膜）
図１７に４つの全反射面にＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２による４層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表１０に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２の４層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜１７１１ｎｍの範囲で１７０〜１８３．２°の位相差にする事が可能になる。

【0079】

【表10】

【0080】

（実施例１−１１．石英製λ／２フレネルロム、ＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２の１０層膜）
図１８に４つの全反射面にＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２による１０層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表１１に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２の１０層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で１７５．５〜１８７．１°の位相差にする事が可能になる。

【0081】

【表11】

【0082】

＜実施例２．多層膜付きＣａＦ_２製λ／２フレネルロム＞
ＣａＦ_２製のλ／２フレネルロムの４つ全ての全反射面に、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２、ＬａＦ_３／ＭｇＦ_２、ＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２の多層膜を成膜した場合における位相差の波長特性を実施例２−１．〜２−１１．に示す。図１９は、ＣａＦ_２製のλ／２フレネルロムの概要図で、多層膜の種類（構成）によらず同一の形状である。なお、２つの菱面体をオプティカル・コンタクトした場合と、互いに離して平行に並べた場合の位相差に違いはない。また、図１９に示すＣａＦ_２製のλ／２フレネルロムは、同一の平行四辺形状のプリズム素子を２つ組み合わせた構造であり、入射光線Ｉと出射光線Ｅの光軸がずれない。換言すると、入射光線Ｉと出射光線Ｅが一直線になり、入射光線Ｉと出射光線Ｅの光軸が（略）同軸となる。

【0083】

（実施例２−１．ＣａＦ_２製λ／２フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜）
図２０に４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表１２に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜７６４ｎｍの範囲で１７０〜１９０°の位相差にする事が可能になる。

【0084】

【表12】

【0085】

（実施例２−２．ＣａＦ_２製λ／２フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の４層膜）
図２１に４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による４層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表１３に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の４層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜１１５５ｎｍの範囲で１７０〜１８５．６°の位相差にする事が可能になる。

【0086】

【表13】

【0087】

（実施例２−３．ＣａＦ_２製λ／２フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の１０層膜）
図２２に４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による１０層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表１４に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の１０層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜１８６６ｎｍの範囲で１７０〜１８９．１°の位相差にする事が可能になる。

【0088】

【表14】

【0089】

（実施例２−４．ＣａＦ_２製λ／２フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２０層膜）
図２３に４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２０層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表１５に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２０層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で１７０．９〜１８８．９°の位相差にする事が可能になる。

【0090】

【表15】

【0091】

（実施例２−５．ＣａＦ_２製λ／２フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の５０層膜）
図２４に４つの全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による５０層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表１６に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の５０層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で１７５．４〜１８９°の位相差にする事が可能になる。

【0092】

【表16】

【0093】

（実施例２−６．ＣａＦ_２製λ／２フレネルロム、ＬａＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜）
図２５に４つの全反射面にＬａＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表１７に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＬａＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜７８８ｎｍの範囲で１７０〜１９０°の位相差にする事が可能になる。

【0094】

【表17】

【0095】

（実施例２−７．ＣａＦ_２製λ／２フレネルロム、ＬａＦ_３／ＭｇＦ_２の４層膜）
図２６に４つの全反射面にＬａＦ_３／ＭｇＦ_２による４層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表１８に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＬａＦ_３／ＭｇＦ_２の４層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜１２２１ｎｍの範囲で１７０〜１８５．６°の位相差にする事が可能になる。

【0096】

【表18】

【0097】

（実施例２−８．ＣａＦ_２製λ／２フレネルロム、ＬａＦ_３／ＭｇＦ_２の１０層膜）
図２７に４つの全反射面にＬａＦ_３／ＭｇＦ_２による１０層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表１９に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＬａＦ_３／ＭｇＦ_２の１０層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で１７２．６〜１８７．７°の位相差にする事が可能になる。

【0098】

【表19】

【0099】

（実施例２−９．ＣａＦ_２製λ／２フレネルロム、ＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜）
図２８に４つの全反射面にＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２による２層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表２０に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２の２層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜７７７ｎｍの範囲で１７０〜１９０°の位相差にする事が可能になる。

【0100】

【表20】

【0101】

（実施例２−１０．ＣａＦ_２製λ／２フレネルロム、ＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２の４層膜）
図２９に４つの全反射面にＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２による４層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表２１に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２の４層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜１２５２ｎｍの範囲で１７０〜１８４．７°の位相差にする事が可能になる。

【0102】

【表21】

【0103】

（実施例２−１１．ＣａＦ_２製λ／２フレネルロム、ＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２の１０層膜）
図３０に４つの全反射面にＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２による１０層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表２２に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にＮｄＦ_３／ＭｇＦ_２の１０層膜を成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で１７３．７〜１８６．３°の位相差にする事が可能になる。

【0104】

【表22】

【0105】

＜比較例．従来のフレネルロムとの比較＞
本実施形態の多層膜付きλ／２フレネルロムと従来のフレネルロムとの比較を以下に示す。本実施形態の多層膜付きλ／２フレネルロムは、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍと真空紫外から近赤外の波長領域において、位相差を１８０±１０°にする事が可能な位相子である。第一菱面体１０及び第二菱面体２０を構成する素材は、上記の波長帯域を透過する等方性材料で安定的な入手が可能な石英又はＣａＦ_２となる。図３１に示すように、位相差特性は、石英製の方が若干劣っている為、以下に示す比較は、等方性材料として石英を用いた場合で行う。なお、以下の比較では、多層膜Ｍが５０層膜である例を示して行っているが、積層数によらず、概ね同様の結果となる。

【0106】

図３２は、全反射面に多層膜を有する本実施形態のフレネルロムＨＷＰと、従来から存在する各種フレネルロムによる位相差の波長特性について比較したものである。フレネルロムは、位相差の波長特性に優れた素子で、素材に石英を使用する事で、真空紫外から近赤外領域までの波長領域に対応可能な位相子とする事が可能である。位相差の平坦性や使用時の使い勝手などは、構造によって異なり、これらを鑑みた際に、優れた位相差性能を持ち、使い勝手が良く、現実的なフレネルロムは、従来存在していなかった。

【0107】

（比較例１．石英製λ／２フレネルロム膜無し、ＭｇＦ_２単層膜フレネルロム（従来品）との比較）
図３３Ａに石英製の膜無しλ／２フレネルロムと、全反射面にＭｇＦ_２単層膜又はＧｄＦ_３単層膜を形成した従来のフレネルロム（ＭｇＦ_２単層膜フレネルロム又はＧｄＦ_３単層膜フレネルロム）の概要図を示し、図３３Ｂに位相差の波長特性の比較を示す。なお、ＭｇＦ_２単層膜フレネルロムは、特許文献１を参考にλ／２フレネルロムとして検討し直したものである。ここで示した３つの従来品と本実施形態のフレネルロムＨＷＰは、基本形状は同一であり、違いは全反射面の膜構成のみとなっている。このような屋根型（ダブル型）と言われる構造の場合、入射光線と出射光線の光軸にズレなどが起こらない為、光学系を組み立てる際や、素子を回転させて使用する際に非常に便利である。また、開口と長さの比が１０：３０程度と偏光用素子としては、一般的な大きさである。位相差特性は、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍにおいて、本実施形態のフレネルロムＨＷＰ以外は、１８０°±１０°を超えてしまう。

【0108】

（比較例２．石英製λ／２フレネルロム１個型との比較）
図３４Ａに石英製λ／２フレネルロム１個型（従来品）の概要図を示し、図３４Ｂに位相差の波長特性の比較を示す。１個型の場合、１回の全反射で得られる位相差が最大約４０°〜４５°程度である為、２回の全反射で得られる位相差は、９０°程度になる。素子を長くして全反射回数を４回にする事も可能であるが、位相差の性能は、屋根型（ダブル型）にして４回反射させる場合と同じである。その上、１個型の場合、構造上、入射光線と出射光線の光軸にズレが発生するという特徴があり、素子を長くすればする程ズレが大きくなってしまい、光学系を組む際に、光線のズレに合わせて、後の部品もずらして配置しなければならなくなったり、１個型フレネルロムを回転させながら使用すると、出射光線の位置も回転してしまい、使用し難くなってしまう。

【0109】

（比較例３．石英λ／２フレネルロムキング型との比較）
図３５Ａに石英λ／２フレネルロムキング型（従来品）の概要図を示し、図３５Ｂに位相差の波長特性の比較を示す。キング型の場合、３回の全反射で得られる位相差が、最大約１００°前後と位相差を１８０°にする事が出来ない。また、キング型は、その構造上、図３５Ａに図示した一か所の位置以外では、入射光線と出射光線の光軸にズレが発生し光線の上下が逆転する。この為、光線の上下を修正する部品を追加する必要があり、使用し難いという問題がある。

【0110】

＜実施例３．多層膜の成膜面数を１つ〜３つとした多層膜付きλ／２フレネルロム＞
石英製又はＣａＦ_２製λ／２フレネルロムに多層膜を成膜した際の位相差の波長特性を以下に示す。具体的には、石英製又はＣａＦ_２製のフレネルロムの１つ〜３つの全反射面に、膜材料ＧｄＦ_３とＭｇＦ_２の、多層膜を成膜した場合に、位相差特性が広帯域となることを示す例である。

【0111】

（実施例３−１．多層膜付き石英製λ／２フレネルロム）
石英製のλ／２フレネルロムの１つ〜３つの全反射面に、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による多層膜を成膜した場合の位相差波長特性を実施例３−１−１〜３−１−４に示す。具体的には、図７に示す石英製のλ／２フレネルロムにおいて、４つの全反射面の任意の１つ〜３つの面に多層膜を成膜した例を示す。

【0112】

（実施例３−１−１．石英製λ／２フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２、成膜面数：１面、５０層膜）
図３６にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による５０層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表２３に膜厚などを示す。ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の５０層膜を３つの全反射面に成膜する事で、波長λ＝１９０〜１７５３ｎｍの範囲で１７０〜１８１．６°の位相差にする事が可能になる。

【0113】

【表23】

【0114】

（実施例３−１−２．石英製λ／２フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２、成膜面数：２面、１０層膜）
図３７にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による１０層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表２４に膜厚などを示す。ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の１０層膜を２つの全反射面に成膜する事で、波長λ＝１９０〜１９０５ｎｍの範囲で１７０〜１８６°の位相差にする事が可能になる。

【0115】

【表24】

【0116】

（実施例３−１−３．石英製λ／２フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２、成膜面数：２面、５０層膜）
図３８にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による５０層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表２５に膜厚などを示す。ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の５０層膜を２つの全反射面に成膜する事で、波長λ＝１９０〜１９３４ｎｍの範囲で１７０〜１８３．３°の位相差にする事が可能になる。

【0117】

【表25】

【0118】

（実施例３−１−４．石英製λ／２フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２、成膜面数：３面、５０層膜）
図３９にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による５０層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表２６に膜厚などを示す。ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の５０層膜を３つの全反射面に成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で１７５〜１８３°の位相差にする事が可能になる。

【0119】

【表26】

【0120】

（実施例３−２．多層膜付きＣａＦ_２製λ／２フレネルロム）
ＣａＦ_２製のλ／２フレネルロムの１つ〜３つの全反射面に、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による多層膜を成膜した場合の位相差波長特性を実施例３−２−１〜３−２−４に示す。具体的には、図１９に示すＣａＦ_２製のλ／２フレネルロムにおいて、４つの全反射面の任意の１つ〜３つの面に多層膜を成膜した例を示す。

【0121】

（実施例３−２−１．ＣａＦ_２製λ／２フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２、成膜面数：１面、５０層膜）
図４０にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による５０層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表２７に膜厚などを示す。ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の５０層膜を１つの全反射面に成膜する事で、波長λ＝１９０〜１６８５ｎｍの範囲で１７０〜１８７°の位相差にする事が可能になる。

【0122】

【表27】

【0123】

（実施例３−２−２．ＣａＦ_２製λ／２フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２、成膜面数：２面、８層膜）
図４１にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による８層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表２８に膜厚などを示す。ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の８層膜を２つの全反射面に成膜する事で、波長λ＝１９０〜１９０３ｎｍの範囲で１７０〜１８７．２°の位相差にする事が可能になる。

【0124】

【表28】

【0125】

（実施例３−２−３．ＣａＦ_２製λ／２フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２、成膜面数：２面、５０層膜）
図４２にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による５０層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表２９に膜厚などを示す。ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の５０層膜を２つの全反射面に成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で１７５．７〜１８４．７°の位相差にする事が可能になる。

【0126】

【表29】

【0127】

（実施例３−２−４．ＣａＦ_２製λ／２フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２、成膜面数：３面、５０層膜）
図４３にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による５０層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表３０に膜厚などを示す。ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の５０層膜を３つの全反射面に成膜する事で、波長λ＝１９０〜２０００ｎｍの範囲で１７３．４〜１８５．２°の位相差にする事が可能になる。

【0128】

【表30】

【0129】

＜実施例４．多層膜の成膜面数を１つとした多層膜付きλ／２フレネルロム＞
石英製λ／２フレネルロムに多層膜を成膜した際の位相差の波長特性を以下に示す。具体的には、石英製のフレネルロムの１つの全反射面に、膜材料ＧｄＦ_３とＭｇＦ_２の４層膜を成膜した場合に、広帯域性は若干劣るものの、真空紫外域から可視域まで、うねりの少ない平坦な位相差特性が得られることと、膜層数と成膜面数も少なく製造上の誤差が少なくできることを示す例である。

【0130】

（実施例４−１．石英製λ／２フレネルロム、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２、成膜面数：１面、４層膜）
石英製のλ／２フレネルロムの１つの全反射面に、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による多層膜を成膜した場合の位相差波長特性を実施例４−１に示す。具体的には、図７に示す石英製のλ／２フレネルロムにおいて、４つの全反射面の任意の１つの面に多層膜を成膜した例を示す。

【0131】

図４４にＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２による４層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表３１に膜厚などを示す。ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２の４層膜を１つの全反射面に成膜する事で、波長λ＝１９０〜１４３６ｎｍの範囲で１７０〜１８０．７°の位相差にする事が可能になる。

【0132】

【表31】

【0133】

以上の結果から、多層膜を成膜する全反射面の数が２つ又は３つの場合において、４つの場合と同等か、より少ない多層膜の層数で、より広帯域な位相差特性を得られる場合があることが分かった。原理的には、多層膜を成膜する全反射面の数によらず、多層膜の層数の多い方が広帯域な位相差特性を得られると考えられるが、フレネルロムの構成や目的とする波長範囲によっては、多層膜を成膜する全反射面の数が少ない方が、効果が高い場合があることが分かった。

【0134】

また、１つ又は２つの全反射面に多層膜を成膜する場合、４つの全反射面に多層膜を成膜する場合と比べて成膜回数を１／４又は半分に減らすことができるため、製造誤差を減らせる等、生産上のメリットもある。したがって、多層膜付きλ／２フレネルロムにおいて、少なくとも１つ以上の全反射面に多層膜を形成することにより、位相差の広帯域化が可能であり、２つ以上の面に４層以上の多層膜を形成することがより好ましい

【符号の説明】

【0135】

ＨＷＰ フレネルロム
１０ 第一菱面体
１１ 第一入射端面
１２ 第一出射端面
１３ 第一全反射面
１４ 第二全反射面
２０ 第二菱面体
２１ 第二入射端面
２２ 第二出射端面
２３ 第三全反射面
２４ 第四全反射面
Ｍ 多層膜
Ｍ_Ｈ 高屈折率膜
Ｍ_Ｌ 低屈折率膜
θ 入射角
α 楔角
Ｗ 素子の幅（素子の厚み）
Ｈ 素子の高さ
Ｌ 素子の長さ
Ｋ 素子の開口
Ｉ 入射光線
Ｒ 反射光線
Ｅ 出射光線
Ｘ 光軸

【要約】

【課題】位相差がλ／２（１８０°）であり、真空紫外から近赤外の波長領域で使用可能であるフレネルロムを提供する。
【解決手段】等方性材料で形成された平行四辺形状の第一菱面体１０及び第二菱面体２０を備えるフレネルロムＨＷＰであって、第一全反射面１３、第二全反射面１４、第三全反射面２３及び第四全反射面２４の少なくとも１つ以上の面には、多層膜Ｍが形成されており、多層膜Ｍは、等方性材料よりも屈折率の大きい高屈折率材料で形成性された高屈折率膜Ｍ_Ｈと、等方性材料よりも屈折率の小さい低屈折率材料で形成性された低屈折率膜Ｍ_Ｌと、が交互に積層されており、真空紫外から近赤外の波長領域において入射光線Ｉに対して略１８０°の位相差を与える。
【選択図】図１Ａ

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33A】

【図33B】

【図34A】

【図34B】

【図35A】

【図35B】

【図36】

【図37】

【図38】

【図39】

【図40】

【図41】

【図42】

【図43】

【図44】