JP2001141652A - 光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法及びそのための装置 - Google Patents
光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法及びそのための装置Info
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Abstract
物の屈折率と厚さの同時測定方法及びそのための装置を
提供する。 【解決手段】 第1のビームスプリッターと第1の光検
出器を備える低コヒーレンス光干渉測定手段と、この低
コヒーレンス光干渉測定手段とは分離されるとともに、
第2のビームスプリッターと第2の光検出器を備える共
焦点光学測定手段とを備え、実際の測定では、サンプル
105を搭載したステージ104を1mm/秒以上の速
度でz方向に1回移動するだけで、サンプル105の屈
折率nと厚さt同時測定に必要な二つの量ΔzとΔD
(=ng ×t)が実測できる。ここで、サンプルの位相
屈折率np と群屈折率ng の関係を近似的に表現する式
およびnp 、ng 、tとΔz、ΔDとの関係式をもと
に、二つの実測量Δz、ΔDからサンプル105の屈折
率np 、ng 、tと厚さtを決定できる。このような一
連の屈折率と厚さの同時測定に要する時間は1秒以下で
あり、測定可能なサンプル厚は20μm〜数mmで、測
定精度は厚さ0.1mmにおいて0.2%以下である。
Description
干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法
及びそのための装置に関するものであり、特に、透明物
体の屈折率と厚さを同時に測定するものである。
に示すようなものがある。
pt,Lett.21,pp.1942−1944(1
996). (2)M.Ohmi et al,Opt.Rev.
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8. (5)S.Inoue et al,OFS−13,p
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Conf.Opt.Eng.for Sensing
and Nanotech.,Proc.SPIE
3740,pp.26−29,Yokohama,Ju
ne 1999. 低コヒーレンス光干渉をベースとする屈折率nと厚さt
の同時測定に関して〔上記文献(1)〕、高精度測定が
可能な測定サンプル走査法を提案・実証し〔上記文献
(2),(3)〕、これに基づいて実用を装置を試作し
た〔上記文献(4)〜(6)〕。
としての20μm〜数mmの透明板に対応でき、特に、
数100μm以上の厚さでは測定制度≦0.3%が確保
できる。しかしながら、測定に約4分を要するのが欠点
であり、従来の装置の適用範囲を拡大するには、測定精
度を維持したままでの大幅な測定時間短縮が必須であ
る。
発明者によって、既に提案された特開平9−21801
6号がある。
ネッセントダイオード)を用いた光干渉法による測定対
象物の屈折率と厚さの同時測定の基本的なシステム構成
図である。
λc =834nmで、発振スペクトラムの半値全幅(F
WHM)はΔλ=16nmであり、これによって決まる
干渉計の可干渉距離はΔlc 〜25μmである。この干
渉計において、SLD1から出射された光はビームスプ
リッター(BS)2で二等分され、その光の一方は集光
レンズ(対物レンズ)3で第2のステージ4上に置かれ
た測定対象物5に集光される。
ジ7上のPZT(ピエゾトランスデューサ)9に固定さ
れた参照光ミラー10に照射される。PZT9には周波
数f(=500Hz)の振動が加えられ、参照光ミラー
10からの反射光(参照光)を位相変調する。測定対象
物5からの反射光(信号光)と参照光ミラー10から参
照光を、合波・干渉してフォトダイオード(PD)13
でヘテロダイン検波する。
ルタ15、アンプ16を通してサンプリングホールド回
路17に導き、周波数fなる交流信号振幅の最大値を抽
出し、A/Dコンバータ18により、10ビットのディ
ジタル信号に変換してパーソナルコンピュータ(PC)
19に記憶する。なお、11はステージコントローラで
あり、第1のステージ7、第2のステージ4、第3のス
テージ6をそれぞれ制御する。8はPZT9に接続され
る交流電圧源、12a,12bはリレーレンズである。
ド(LD)は、発振波長スペクトラム幅Δλ(<0.1
nm)は狭く、良質の単色光源である。これに対してS
LD1は、発光ダイオード(LED)とLDの中間的な
もので、市販のSLDの発振波長スペクトラムは広くΔ
λ〜15nm程度である。
コヒーレント光干渉系と呼び、その可干渉距離ΔlC は
わずか20μmである。すなわち、SLD干渉光学系で
は、ビームスプリッターで分けられた二つの光(参照光
と信号光)は、これらの伝搬距離(光路長)の差がΔl
C /2(〜10μm)以下でなければ、干渉できない。
言い換えれば、SLD干渉光学系は、約10μmの分解
能で光の伝搬距離(光路長)の差を識別できる。このこ
とから、SLD干渉光学系は分解能10μmオーダーの
光路長測定や微小領域の故障診断に利用できる。
明媒質、つまり透明板)5の屈折率n、厚さtの測定を
行なう。
た従来の光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同
時測定方法及びそのための装置では、被測定物体(又は
集光レンズ)が搭載されているステージを走査し、反射
光を得る。この反射光の必要なポイント毎に参照光ミラ
ーが載ったステージを前後に移動させて、干渉光の強度
パターンを得る、繰り返しの測定になり、かなりの時間
がかかる。現に専門家による専用の測定ソフトを作成し
たが、1ポイントでの屈折率、厚さの測定に約4分を要
した。特に、面分布を知るために多点測定には高速化が
望まれる。
極めて短く、かつ測定精度が高い光干渉法による測定対
象物の屈折率と厚さの同時測定方法及びそのための装置
を提供することを目的とする。
成するために、 〔1〕光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時
測定装置において、第1のビームスプリッターと第1の
光検出器を備える低コヒーレンス光干渉測定手段と、こ
の低コヒーレンス光干渉測定手段とは分離されるととも
に、第2のビームスプリッターと第2の光検出器を備え
る共焦点光学測定手段とを具備することを特徴とする。
定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置において、前記
第1の光検出器はこの第1の光検出器の直前にアパーチ
ャを配置し、ビーム径を小さくして実効的な開口数(N
A)を小さくして、測定対象物の反射面を測定し、前記
第2の光検出器の直前では、サンプルへの入射光ビーム
そのままのビーム径で、レンズ固有の大きな開口数(N
A)を利用して、空間フィルタリングにより、測定対象
物の前面及び後面からの鋭い反射光プロファイルを得る
ことを特徴とする。
定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置において、前記
空間フィルタリングは、単一モード光ファイバによるこ
とを特徴とする。
と厚さの同時測定方法において、低コヒーレンス光干渉
計と共焦点光学系を組み合わせて、1回のサンプル走査
により測定対象物の屈折率と厚さの同時測定を短時間で
行うことを特徴とする。
定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法において、20
μm〜数mmの透明測定対象物であるカバーガラスを用
い、0.1μmステップのステージを20000パルス
/秒の信号で走査し、1回のサンプル走査により測定対
象物の屈折率と厚さの同時測定を1秒以下で行うことを
特徴とする。
て図面を参照しながら説明する。
る測定対象物の屈折率と厚さの高速同時測定システムの
構成図である。
ミネッセントダイオード(SLD)であり、発振中心波
長λC は850nm、スペクトル幅はΔλは24nm、
コヒーレンス長Δlc は12μm、最大出力は5mWで
ある。102は第1のビームスプリッターであり、SL
D光を2分割して、干渉計の参照アームと信号光(サン
プル)アームに導く。更に、参照光ミラー107からの
反射光(参照光)と測定サンプル105からの反射光を
合波・干渉して光検出器に導く。
り、測定サンプル105からの反射光を第1のビームス
プリッター102と第3のレンズ122の方向に2分割
する。104は微動ステージであり、0.1μmステッ
プで、測定サンプル105をz方向に一定速度(v=2
mm/s)で移動する。105は測定サンプルであり、
厚さ約50μm以上の透明板である。
り、信号光アームにある第1のビームスプリッター10
2の波長分散を補償するためのガラスブロックであり、
実験では使用したビームスプリッターに応じて、厚さ1
5mmのブロックを使用している。107は参照光ミラ
ーであり、干渉計の参照光アームに用いるミラーであ
る。108はミラーホルダーであり、参照光ミラー10
7の傾き調整機構付のホルダーである。
ム径を1mmφに制限し、測定サンプル105前面にあ
る第2のレンズ121への入射光ビームのうち直径1m
m内の光ビームのみを検出するためのものであり、これ
によって、光コヒーレンスゲートのための第2のレンズ
121の実効的な開口数(NA)は、0.05となり、
第2のレンズ121の集光作用を抑えてコヒーレンスゲ
ートを有効に活用できる。
ア径10μmの単一モード光ファイバで、測定サンプル
105からの反射光の空間コヒーレンスゲートを改善す
るために利用し、空間フィルタリングの役割を果たす。
111は第1の光検出器であり、測定サンプル105か
らの反射光と参照光との干渉光を検出する。すなわち、
低コヒーレンス光干渉計用光検出器である。112は第
2の光検出器であり、共焦点光学系の光検出器である。
113は第1の増幅器(第1のアンプ)、114は第2
の増幅器(第2のアンプ)である。
テージ104の移動速度(v=2mm/s)に応じて、
信号光(サンプルからの反射光)の周波数はドップラー
シフトfD =4.7kHzを受ける。したがって、干渉
・ヘテロダイン検波された信号の周波数はドップラーシ
フトfD 付近にある。したがって、カットオフ周波数5
00Hzの高域通過フィルタ115を設けて、直流成分
を除去して、干渉計からの検出信号を処理する。
117はADコンバータであり、12ビット、8チャネ
ル、サンプリング周波数63.44kHzのADコンバ
ータを使用する。118はステージコントローラ、11
9はパーソナルコンピュータ(PC)である。
光のビーム径を6mmに拡げるための×20対物レンズ
である。121は第2のレンズであり、SLD光を測定
サンプル105前面、後面に集光するための×20対物
レンズである。122は第3のレンズであり、測定サン
プル105からの反射光を単一モード光ファイバ110
端面に集光するための×20対物レンズである。123
は第4のレンズであり、干渉計の信号光アームと参照光
アームの波長分散を同じにするための、第2のレンズ1
21と同タイプのものである。124は第5のレンズで
あり、1mm径の光ビームを第1の光検出器111に集
光するための×5対物レンズである。125は第6のレ
ンズであり、単一モード光ファイバ出射光を第2の検出
器112に集光するための×10対物レンズである。
ミネッセントダイオード(SLD)101を共通の光源
として、低コヒーレンス光干渉計と共焦点光学系を複合
化したものである。SLD101の中心波長は850n
mでコヒーレンス長は12μmであり、本発明では、測
定サンプル105を、0.1μm/ステップの微動ステ
ージ104上に搭載するだけでよい。
1の直前に配置したアパーチャ109でビーム径を1m
mに制限して光軸近傍の光のみを取り出し、これによっ
てサンプルアーム上に置かれた×20集光レンズである
第2のレンズ121の実効的な開口数NAを、光干渉計
に対してのみ6分の1に低下させることができる。すな
わち、コヒーレンスゲートで反射面を特定するには、第
2のレンズ121の集光作用を極力除去するのがよい。
構成される共焦点光学系では、焦点面からの反射光の光
軸に対する拡がりは集光レンズ121の開口数(NA)
に依存する。したがって、鋭い反射光プロファイルを得
るには大きなNAをもつ第3のレンズ121と単一モー
ド光ファイバ110による空間フィルタリングが必要で
ある。
測定サンプルの移動とレンズ焦点位置との関係を示す模
式図である。図2(a)は測定サンプル表面に焦点位置
があり、この状態から測定サンプル105をΔz移動す
ると、図2(c)に示すように、測定サンプル後面に焦
点合わせされる。この移動距離Δzを共焦点光学系で測
定する。一方、例えば、レンズ焦点が、図2(b)に示
すような位置にあるとき、測定サンプル表面と参照光ミ
ラー107の位置が等しい光学的距離にあるとすると、
この状態で光干渉計の検出器111の出力がピーク値を
示す。この状態から、図2(d)に示すように、測定サ
ンプル105をz方向に沿ってΔD移動すると、今度は
測定サンプル105後面と参照光ミラー107が等しい
光学的距離になり、再び光干渉計の検出器111の出力
がピークを示す。このサンプル移動距離ΔDは光干渉計
のコヒーレンスゲートで測定できる。
サンプル走査法と異なり、図2に示すように、サンプル
105を+z方向に沿って一度走査するだけで、サンプ
ル105の前面と後面からの反射光を、コヒーレンスゲ
ート及び共焦点光学系の両方で検出する。
の反射光ピークの間隔Δzは、集光レンズのNAをζと
すると、 Δz=t×√{(1−ζ2 )/(np 2 −ζ2 )} …(1) また、コヒーレンスゲートによる干渉縞の二つの包絡線
ピークの間隔ΔDは、光学的厚さであるので、 ΔD=ng ・t …(2) となる。ここで、np 、ng は各々サンプルの位相屈折
率及び群屈折率である。透明サンプルにおいては、屈折
率の波長分散δnをΔzとΔDで近似的に表現すること
ができ、 δn=(ng −np )/(np )=a・〔{√(ΔD/Δz)}−1〕b …(3) である〔上記文献(4)、(6)参照〕。a,bは実験
により決定される定数で、固体サンプルの場合、a=
0.024,b=1.69である(a,bは別途、実験
的に求めた)。
式から、実測量Δz、ΔDをもとにしてnp 、t及びn
g を求めることができる。
mのカバーガラスを用い、高速屈折率n、厚さtの同時
測定を試みた。サンプルステージを1mm/sの一定速
度で走査し、サンプリング周波数22.41kHzのA
/Dコンバータを使用して連続的にデータを取り込ん
だ。この時のサンプリング間隔は45nmである。検出
した信号パターンを図3に示す。
走査と信号強度と特性図であり、縦軸は信号強度(任意
スケール)、横軸は走査方向z(μm)を示している。
ここで、コヒーレンスゲート信号は、図4に示すような
干渉縞であり、その包絡線の半値全幅はSLDのコヒー
レンス長で決まり、ΔlC =11.4μmとなる。
光ピーク間隔からΔz=96.34μmが得られ、コヒ
ーレンスゲートによる干渉縞の包絡線のピーク間隔か
ら、ΔD=229.67μmを得た。上式を用いてnp
=1.5344、t=148.4μmと求められた。
ある。
めに、同一サンプルについて、従来の測定サンプル走査
法により測定を行った。Δz=98μm、ΔL=135
μm(ΔD=ΔL+Δz=233μm)と実測され、こ
れよりnp =1.5324、t=150.8μmを得
た。測定時間は3分50秒であった。
差は0.13%であり、本発明の測定精度は測定サンプ
ル走査法と同等であることがわかる。
光学系を組み合わせて、1回のサンプル走査で屈折率n
と厚さtの同時測定が行える測定手法を提案した。
測定サンプル走査法と同等であるが、測定時間は従来は
4分であったものが、本発明によれば、僅かに1秒以下
を実現することができた。
射光プロファイルの拡がりは、図5に示すように、その
半値全幅(FWHM)が31μm)であり、測定可能な
サンプルの最小膜厚は、現状では厚さtは約50μmま
で測定が可能である。共焦点光学系の光源として空間コ
ヒーレンスの優れたLDを用いれば、反射光プロファイ
ルの拡がりは、FWHMで約13μmとなるので、サン
プル厚さtは20μmまで測定が可能である。
検出器(受光素子)を1組から2組にして、これによ
り、光干渉測定と共焦点光学測定とを分離するようにし
た。
4の前に光ビーム径を1mmにするためにアパーチャ1
09を設ける。これによって、光干渉計のみに対して、
集光レンズ121の開口数(NA)を6分の1に低下す
ることができる。しかしながら、共焦点光学系に対して
は、集光レンズ121の開口数(NA)は、0.3のま
ま維持される。
さを持つ透明なカバーガラスを用い実証した。被測定物
体を1回走査するのみで、必要データが入手できる。従
来は約4分を要していたのに対して、本発明によれば、
高測定精度を維持したまま、1秒以下で実現することが
できた。
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
よれば、被測定物体を1回走査するのみで、必要データ
が入手できる。その測定に従来は約4分を要していたの
に対して、本発明によれば、1秒以下が実現することが
できる。
度が高いので、光学材料等の厚さや屈折率分布測定及び
製造ライン上における透明板・膜の抜取り検査などに好
適である。
物の屈折率と厚さの高速同時測定システムの構成図であ
る。
移動とレンズ焦点位置との関係を示す模式図である。
強度と特性図である。
プル表面付近の干渉縞を示す図である。
反射光プロファイルの拡がりを示す図である。
ード)を用いた光干渉法による測定対象物の屈折率と厚
さの同時測定の基本的なシステム構成図である。
(SLD) 102 第1のビームスプリッター 103 第2のビームスプリッター 104 微動ステージ 105 測定サンプル 106 分散補償用ガラスブロック 107 参照光ミラー 108 ミラーホルダー 109 アパーチャ 110 単一モード光ファイバ 111 第1の光検出器 112 第2の光検出器 113 第1の増幅器(第1のアンプ) 114 第2の増幅器(第2のアンプ) 115 高域通過フィルタ 116 第3の増幅器(第3のアンプ) 117 ADコンバータ 118 ステージコントローラ 119 パーソナルコンピュータ 120 第1のレンズ 121 第2のレンズ 122 第3のレンズ 123 第4のレンズ 124 第5のレンズ 125 第6のレンズ
Claims (5)
- 【請求項1】 光干渉法による測定対象物の屈折率と厚
さの同時測定装置において、(a)第1のビームスプリ
ッターと第1の光検出器を備える低コヒーレンス光干渉
測定手段と、(b)該低コヒーレンス光干渉測定手段と
は分離されるとともに、第2のビームスプリッターと第
2の光検出器を備える共焦点光学測定手段とを具備する
ことを特徴とする光干渉法による測定対象物の屈折率と
厚さの同時測定装置。 - 【請求項2】 請求項1記載の光干渉法による測定対象
物の屈折率と厚さの同時測定装置において、前記第1の
光検出器は該第1の光検出器の直前にアパーチャを配置
し、ビーム径を小さくして実効的な開口数(NA)を小
さくし、測定対象物の反射面を測定し、前記第2の光検
出器の直前では、サンプルへの入射光ビームそのままの
ビーム径で、レンズ固有の大きな開口数(NA)を利用
して、空間フィルタリングにより、測定対象物の前面及
び後面からの鋭い反射光プロファイルを得ることを特徴
とする光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時
測定装置。 - 【請求項3】 請求項2記載の光干渉法による測定対象
物の屈折率と厚さの同時測定装置において、前記空間フ
ィルタリングは、単一モード光ファイバによることを特
徴とする光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同
時測定装置。 - 【請求項4】 光干渉法による測定対象物の屈折率と厚
さの同時測定方法において、低コヒーレンス光干渉計と
共焦点光学系を組み合わせて、1回のサンプル走査によ
り測定対象物の屈折率と厚さの同時測定を短時間で行う
ことを特徴とする光干渉法による測定対象物の屈折率と
厚さの同時測定方法。 - 【請求項5】 請求項4記載の光干渉法による測定対象
物の屈折率と厚さの同時測定方法において、20μm〜
数mmのカバーガラスを透明測定対象物となし、0.1
μmステップのステージを20000パルス/秒の信号
で走査し、1回のサンプル走査により測定対象物の屈折
率と厚さの同時測定を1秒以下で行うことを特徴とする
光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方
法。
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JP32761999A JP3642996B2 (ja) | 1999-11-18 | 1999-11-18 | 光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法及びそのための装置 |
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