本发明涉及能够使用偏振光解析法测定作为观察对象的物体的膜厚、光学常量的椭偏仪，尤其是涉及成像椭偏仪。
背景技术：
椭偏仪是观测光在样品表面反射或透过时的偏振光状态的变化从而能够测定和计算该样品的光学常量(折射率、消光系数等)的装置。例如在样品表面存在薄膜的情况下，能够测定该薄膜的厚度、光学常量。
现有的椭偏仪使来自激光源的平行光束或者由透镜转换为平行光束的光束以布鲁斯特角附近的70度左右入射至样品表面。然后，通过观测在反射前后变化的偏振光状态，能够测定样品的膜厚、光学常量。例如在平行光束的大小为1mmφ左右的情况下，能够测定样品表面的1mmφ的区域的光学常量。
特许文献1公开了成像椭偏仪的一个例子。特许文献1公开的椭偏仪使在样品表面反射后的光在与样品表面共轭的ccd等拍摄元件的受光面上成像。用于使反射光成像的成像光学系统中使用两个折射透镜。该成像椭偏仪具备放置在光源与样品之间的起偏镜组和放置在样品与ccd之间的检偏镜组，观测在样品表面反射后的光的偏振光状态的变化，从而能够测定样品表面的膜厚、光学常量。
另外，本发明人对于在使来自物体的反射光成像的成像光学系统中应用作为等倍反射型成像光学系统之一的offner型成像光学系统的成像椭偏仪的相关发明进行了特许申请(参照特许文献2)。
特许文献1：日本特开2011-102731号公报
特许文献2：日本特开2013-174844号公报
特许文献1公开的成像椭偏仪的成像光学系统由两个折射透镜构成。特许文献2公开的成像椭偏仪在成像光学系统中使用了等倍反射型成像光学系统。
本发明人发现：在用于使来自物体面的反射光成像的成像光学系统中使用等倍反射型成像光学系统的椭偏仪中，在使用格兰汤普森棱镜作为检偏镜的情况下，由成像光学系统成像的像的像差变大，椭偏仪的性能显著恶化。
技术实现要素：
本发明的目的是在用于使来自物体面的反射光成像的成像光学系统中使用等倍反射型成像光学系统的椭偏仪中，改善椭偏仪的性能。
用于解决上述课题的手段是以下的发明。
(1)一种椭偏仪，
具备用于使来自物体表面的反射光的光束在受光面成像的成像光学系统，
上述成像光学系统由等倍反射型成像光学系统构成，该等倍反射型成像光学系统包含凹面主镜和凸面副镜，能够在使来自上述物体表面的反射光的光束按照上述凹面主镜、上述凸面副镜、上述凹面主镜的顺序反射后在上述受光面成像，
上述等倍反射型成像光学系统包含检偏镜，
上述检偏镜由在x轴方向和y轴方向具有相同折射率的偏振光元件构成。
(2)在上述(1)记载的椭偏仪中，上述检偏镜包含第一检偏镜和第二检偏镜，
在上述物体表面与上述凹面主镜之间的光路上配置有上述第一检偏镜，
在上述凹面主镜与上述受光面之间的光路上配置有上述第二检偏镜。
(3)在上述(1)或者(2)记载的椭偏仪中，上述检偏镜是板型偏振光元件或者棱镜型偏振光元件。
根据本发明，在用于使来自物体面的反射光成像的成像光学系统中使用等倍反射型成像光学系统的椭偏仪中，能够改善椭偏仪的性能。
附图说明
图1是表示椭偏仪的整体结构的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。
本实施方式的椭偏仪100是能够观测光在样品表面反射时的偏振光状态的变化来测定该样品的特性即膜厚、光学常量(折射率、消光系数)等的装置。
图1示出了椭偏仪100的整体结构。
如图1所示，椭偏仪100具备照明光学系统10和成像光学系统30。作为观察对象的样品表面以物体面s来表示。
照明光学系统10包含光源12、准直透镜14、可变光阑15、聚光透镜16、两个棱镜型偏振光元件18a、18b以及液晶起偏镜20。
从光源12发出的照明光l1被准直透镜14转换为平行光即照明光l2。照明光l2被可变光阑15调整了朝向物体面的聚光角度(na)后，通过聚光透镜16在物体面s聚光。可变光阑15与后述的成像光学系统的副镜34共轭。副镜34是成像光学系统的光瞳。公知在可变光阑15的开口径是成为共轭的副镜34的口径的50-70％时光学成像性能提高。通过了聚光透镜16的照明光l2利用两个棱镜型偏振光元件18a、18b而成为直线偏振光。通过对液晶起偏镜20进行电控制，由此能够将直线偏振光转换为圆偏振光或者椭圆偏振光。另外，还能使偏振光方向旋转。由此，能够将照明光l2转换为各种偏振光状态的照明光l3。将该照明光l3沿倾斜方向照射至物体面s。例如沿相对于从物体面s延伸的垂线n约呈70度的方向照射照明光l3。
接下来，说明成像光学系统30。
本实施方式的椭偏仪100的成像光学系统30由作为等倍反射型成像光学系统之一的offner光学系统构成。
如图1所示，成像光学系统30具备由凹面镜构成的主镜32、由凸面镜构成的副镜34、配置在物体面s与主镜32之间的光路上的第一检偏镜50以及配置在主镜32与拍摄元件的受光面40之间的光路上的第二检偏镜52。本实施方式中，第一检偏镜50和第二检偏镜52由棱镜型偏振光元件构成。
来自物体面s的反射光的光束向第一检偏镜50入射。被第一检偏镜50的反射面50a反射后的光束按照主镜32、副镜34、主镜32的顺序被反射后，向第二检偏镜52入射。被第二检偏镜52的反射面52a反射后的光束在拍摄元件的受光面40成像。
物体面s和受光面40在offner光学系统中形成等倍的共轭的关系。
物体面s是作为观察对象的物体表面，例如是形成有薄膜的基板的表面。
受光面40是供被物体面s反射后的光束成像的面，例如是二维ccd等拍摄元件的受光面。
副镜34是光学系统的光瞳。
例如10μm角的大小的ccd元件接收来自处于等倍的共轭关系的物体面的10μm角的区域的光。因此，能够以10μm角单位测定物体面s的膜厚、光学常量。另一方面，若成像光学系统的像差大，则来自物体面s的10μm角的区域的光束不仅到达处于共轭关系的10μm角的ccd元件，还到达与其邻接的ccd元件。其结果是，每单位面积的膜厚、光学常量的计测精度变差。
如图1所示，从物体面s朝向凹面主镜32的光束是远心(telecentric)的。被主镜32反射后的光束由兼作光阑(絞り)的凸面副镜34反射。被副镜34反射后的光束再次被凹面主镜32反射而成为远心。被主镜32反射而成为远心的光束由第二检偏镜52反射，等倍地成像于受光面40。
现有的椭偏仪中，作为配置在物体面s与受光面40之间的偏振光元件(检偏镜)，大多使用消光比高(例如消光比为5×10-6左右)的格兰汤普森棱镜。然而，本发明人发现在使用等倍反射型成像光学系统的椭偏仪中，该成像光学系统中使用格兰汤普森棱镜的情况下，椭偏仪的性能显著降低。
本发明人研究了现有的椭偏仪的性能显著降低的原因。结果发现原因是以下的(1)、(2)。
(1)由于在成像光学系统中使用格兰汤普森棱镜，从而由成像光学系统成像的像的像差变大。
(2)由于格兰汤普森棱镜的x轴方向和y轴方向的折射率不同，从而成像面的x轴方向和y轴方向的焦点位置错开。
这里所说的x轴方向和y轴方向是指在将与格兰汤普森棱镜的反射面垂直的方向设为z轴方向时的x轴方向和y轴方向。
本实施方式的椭偏仪100中，第一检偏镜50和第二检偏镜52由x轴方向和y轴方向的折射率相同的偏振光元件构成。这里所说的x轴方向和y轴方向是指在将与第一检偏镜50的反射面50a垂直的方向设为z轴方向时的x轴方向和y轴方向。或者是指在将与第二检偏镜52的反射面52a垂直的方向设为z轴方向时的x轴方向和y轴方向。第一检偏镜50和第二检偏镜52的xy平面分别与反射面50a、52a一致。
第一检偏镜50和第二检偏镜52只要是x轴方向和y轴方向的折射率相同的偏振光元件，则可以是任意的偏振光元件。第一检偏镜50和第二检偏镜52优选为板型偏振光元件或者棱镜型偏振光元件。
格兰汤普森棱镜一般具有5×10-6左右的较高的消光比。另一方面，x轴方向和y轴方向的折射率相同的板型偏振光元件或者棱镜型偏振光元件一般具有比格兰汤普森棱镜低的消光比(例如消光比为1/500左右)。本实施方式的椭偏仪100中，第一检偏镜50和第二检偏镜52以串联的方式配置在从物体面s到受光面40的光路上。因此，特征在于，合计得到1/500×1/500＝4.0×10-6的消光比，所以得到与格兰汤普森棱镜同程度的较高的消光比。
本实施方式的椭偏仪100中，副镜34由在背面34a反射光的背面镜构成。也可以对副镜34的背面34a实施用于反射光的处理。例如可以在副镜34的背面34a蒸镀波长依赖性小的以铝为代表的金属反射膜。或者也可以在副镜34的背面34a蒸镀在所希望的波长范围中具有高反射率的多层电介质反射膜。使用背面镜作为副镜34，从而能够使在受光面40成像的像的像差进一步减小。
如上所述，用于使来自物体面s的光在受光面40成像的成像光学系统30由作为等倍反射型成像光学系统之一的offner光学系统构成。这样的反射光学系统与折射透镜不同，具有用于物体面s的观察的光的波长不受限制的特征。因此，本发明由于用于观察的光的波长不受限制，所以能够应用于半导体、生物学等各种领域。
根据本实施方式的椭偏仪100，等倍反射型成像光学系统中使用x轴方向和y轴方向的折射率相同的偏振光元件，所以由成像光学系统成像的像的像差变小，能够改善椭偏仪的性能。
附图标记的说明
10…照明光学系统；12…光源；14…准直透镜；16…聚光透镜；20…液晶起偏镜；30…成像光学系统；32…凹面主镜；34…凸面副镜；40…受光面；50…第一检偏镜；52…第二检偏镜；100…椭偏仪；s…物体面。