JP2006138793A - 角度可変測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、反射率測定の高精度化が図られる角度可変測定装置を提供することにある。
【解決手段】試料光28の固定光路30上に試料32を回転自在に保持するステージ14と、該ステージ14の回転軸34を中心に回転自在に設けられ、該回転軸34と一致した参照光側入射穴36及び一致しない試料光側入射穴38が設けられた積分球16と、該回転軸34と一致した光軸40を有し該積分球16に設けられた参照光側検出器18と、該回転軸34と一致しない光軸42を有し該積分球16に設けられた試料光側検出器20と、参照光26を該入射穴36を介して該積分球16に入射させる固定ミラー系よりなる参照光側光学系22と、該回転軸34を中心に回転自在に設けられ、該試料光28を試料32の反射面に照射して得られた反射光50を該入射穴38を介して該積分球16に入射させる可変ミラー系よりなる試料光側光学系24とを備えたことを特徴とする角度可変測定装置10。
【選択図】 図１

Description

本発明は角度可変測定装置に関し、特にダブルビームの光学系の改良に関する。

従来より、例えば金属表面や蒸着面などの反射率を測定するため、角度可変測定装置が用いられている。
従来の角度可変測定装置は、ダブルビームの光学系において、試料光及び参照光を出射する光源と、回転自在に設けられた積分球と、積分球に入射した光を検出する検出器と、一端が光源に他端が積分球に接続され、光源よりの参照光を積分球に入射させる光ファイバとを備える（例えば、特許文献１参照）。

ところで、試料の反射率は、入射角を変えて測定する必要があり、このために試料反射面の向きを変えており、また試料反射面の向きの変更に合せて積分球を回転させる必要がある。
従来の角度可変測定装置では、積分球の回転に伴い積分球の試料光側入射穴の位置と参照光側入射穴の位置とが共に動くが、積分球の回転に合せて光ファイバの形状が自在に変化するので、一の積分球で参照光及び試料光を検出することができる。
特開平７−８３８２８号公報

ところで、従来の角度可変測定装置は、前述のような光ファイバを用いるので、安価なものの、反射率測定の更なる高精度化が望まれている。しかしながら、従来は、これを解決することのできる適切な技術が存在しなかった。
本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、入射角を変えて行う反射率測定の高精度化を図ることのできる角度可変測定装置を提供することにある。

本発明者が反射率測定の高精度化について鋭意検討を重ねた結果、これを妨げる原因として以下の点がわかった。
すなわち、従来の角度可変測定装置は、入射角の変更による積分球の回転に伴い、積分球の試料光側入射穴と参照光側入射穴とが動いていた。従来は、このような積分球の回転に対する追従性を図るため参照光側光学系に光ファイバを用いているが、積分球の回転に伴い光ファイバが曲がり、光ファイバの曲がり具合によって参照光の強度が異なることがわかった。

そして、反射率測定では、基準となる参照光の強度変動が測定に与える影響はより深刻となるので、参照光の強度変動を低減することが非常に重要である。このために光ファイバに代えてダブルビームの光学系を全てミラー系とすることが非常に有効である。また測定波長範囲の拡張の点からも、光ファイバに代えてダブルビームの光学系を全てミラー系とすることが、非常に有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、前記目的を達成するために本発明にかかる角度可変測定装置は、光源と、試料ステージと、積分球と、参照光側検出器と、試料光側検出器と、ミラー系よりなる参照光側光学系と、ミラー系よりなる試料光側光学系と、を備える。前記試料光側光学系及び前記参照光側光学系を全てミラー系とする。また前記試料光の試料反射面への入射角を角度θだけ変える時は、前記試料反射面が角度θだけ回転するように前記試料ステージを角度θだけ回転させ、且つ前記試料光側光学系及び前記積分球を角度２θだけ回転させることを特徴とする。

ここで、前記光源は、試料光及び参照光を出射する。
また前記試料ステージは、前記光源よりの試料光の固定光路上に試料を保持し、該試料の反射面の向きを変えるように回転自在に設けられる。
前記積分球は、前記試料ステージの回転軸と一致した回転軸を有し、かつ該回転軸を中心に回転自在に設けられる。該積分球は、参照光側入射穴及び試料光側入射穴が設けられる。該積分球に設けられた参照光側入射穴は、該試料ステージの回転軸と一致した参照光側光軸を有する。該積分球に設けられた試料光側入射穴は、該試料ステージの回転軸と一致しない試料光側光軸を有する。

前記参照光側検出器は、前記試料ステージの回転軸と一致した参照光側光軸を有し、かつ前記積分球に設けられる。該参照光側検出器は、該積分球内に入射した、前記光源よりの参照光を検出する。
前記試料光側検出器は、前記試料ステージの回転軸と一致しない試料光側光軸を有し、かつ前記積分球に設けられる。該試料光側検出器は、該積分球内に入射した、前記光源よりの試料光を試料反射面に照射して得られた反射光の強度を検出する。
前記参照光側光学系は、少なくとも前記参照光側検出器の光軸と一致した光軸を有する。該参照光側光学系は、前記光源からの参照光を前記積分球の参照光側入射穴を介して該積分球内に入射させ前記参照光側検出器に入射させる。

前記試料光側光学系は、前記試料ステージの回転軸と一致した回転軸を有し、かつ該回転軸を中心に回転自在に設けられる。該試料光側光学系は、前記光源よりの試料光を試料の反射面に照射して得られた反射光を前記積分球の試料光側入射穴を介して該積分球内に入射させ前記試料光側検出器に入射させる。
なお、本発明においては、設定手段と、試料角度変更手段と、試料角度制御手段と、光学系角度変更手段と、光学系角度制御手段と、積分球角度変更手段と、積分球角度制御手段と、を備えることが好適である。
ここで、前記設定手段は、前記試料光の試料反射面への入射角の変更量である前記角度θを指示する。

また前記試料角度変更手段は、前記試料ステージを回転させる。
前記試料角度制御手段は、前記設定手段よりの指示に基づいて、前記試料反射面が角度θだけ回転するように、前記試料角度変更手段により前記試料ステージを角度θだけ回転させる。
前記光学系度変更手段は、前記試料光側光学系を回転させる。
前記光学系角度制御手段は、前記設定手段よりの指示に基づいて、前記光学系度変更手段により前記試料光側光学系を角度２θだけ回転させる。
前記積分球角度変更手段は、前記積分球を回転させる。
前記積分球角度制御手段は、前記設定手段よりの指示に基づいて、前記積分球角度変更手段により前記積分球を角度２θだけ回転させる。

本発明にかかる角度可変測定装置は、試料光側光学系及び参照光側光学系を全てミラー系とし、また入射角を角度θだけ変える時は、試料測定面を角度θだけ回転させ、且つ試料光側光学系及び積分球を角度２θだけ回転させることとしたので、反射率測定の高精度化を図ることができる。
また本発明においては、前記各角度変更手段及び前記各角度制御手段により、前記反射率測定の高精度化が、より容易に行える。

以下、図面に基づき本発明の好適な一実施形態について説明する。
図１には本発明の一実施形態にかかる角度可変測定装置の概略構成が示されている。同図（Ａ）は本実施形態にかかる角度可変測定装置の主要部を回転軸方向より見た図、同図（Ｂ）は本実施形態にかかる角度可変測定装置を上方である同図（Ａ）中の矢印Ａ方向より見た図、同図（Ｃ）は同様の角度可変測定装置を側方である同図（Ａ）中の矢印Ｂ方向より見た図である。
同図に示す角度可変測定装置１０は、ダブルビームの光学系において、光源１２と、試料ステージ１４と、積分球１６と、参照光側検出器１８と、試料光側検出器２０と、ミラー系よりなる参照光側光学系２２と、ミラー系よりなる試料光側光学系２４とを備える。

ここで、前記光源１２は、参照光２６及び試料光２８を出射する。
また前記試料ステージ１４は、光源１２よりの試料光２８の固定光路３０上に試料３２を保持し、試料３２の反射面の向きを変えるように、回転軸３４を中心に回転自在に設けられる。
前記積分球１６は、試料ステージ１４の回転軸３４と一致した回転軸を有し、かつ該回転軸を中心に回転自在に設けられる。該積分球１６は、参照光側入射穴３６及び試料光側入射穴３８が設けられる。該積分球１６に設けられた参照光側入射穴３６は、試料ステージ１４の回転軸３４と一致した参照光側光軸４０を有する。該積分球１６に設けられた試料光側入射穴３８は、試料ステージ１４の回転軸３４と一致しない試料光側光軸４２を有する。

前記参照光側検出器１８は、試料ステージ１４の回転軸３４と一致した参照光側光軸４０を有し、かつ積分球１６に設けられる。該参照光側検出器１８は、積分球１６内に入射した、光源１２よりの参照光２６を検出する。
前記試料光側検出器２０は、試料ステージ１４の回転軸３４と一致しない試料光側光軸４２を有し、かつ積分球１６に設けられる。該試料光側検出器２０は、積分球１６内に入射した、光源１２よりの試料光２８を試料３２の反射面に照射して得られた反射光５０の強度を検出する。

前記参照光側光学系２２は、例えば折り返しミラー４４よりなり、少なくとも参照光側検出器１８の参照光側光軸４０と一致した光軸を有する。該参照光側光学系２２は、光源１２からの参照光２６を、積分球１６の参照光側入射穴３６を介して積分球１６内に入射させ、参照光側検出器１８に入射させる。
前記試料光側光学系２４は、例えばミラー４６，４８よりなり、試料ステージ１４の回転軸３４と一致した回転軸を有し、かつ該回転軸を中心に回転自在に設けられる。該試料光側光学系２４は、光源１２よりの試料光２８を試料３２の反射面に照射して得られた反射光５０を、積分球１６の試料光側入射穴３８を介して積分球１６内に入射させ、試料光側検出器２０に入射させる。

このように本実施形態において特徴的なことは、ダブルビームの光学系である試料光側光学系２４及び参照光側光学系２２を全てミラー系としたことである。
なお、本実施形態においては、試料光側光学系２４の各ミラー４６，４８がアーム５２に保持されている。該アーム５２は、試料ステージ１４の回転軸３４と一致した回転軸を有し、かつ該回転軸を中心に回転自在に設けられる。
本実施形態にかかる角度可変測定装置１０は概略以上のように構成され、以下にその作用について、図２を参照しつつ説明する。
図２には本実施形態にかかる角度可変測定装置１０を斜め上方より見た等価図が示されている。

同図において、試料光２８の試料３２の反射面への入射角を回転軸３４を中心に角度θだけ変える時は、試料３２の反射面を回転軸３４を中心に角度θだけ回転させる。この時、光源１２より試料３２への試料光２８の光路は固定されているので、試料光側光学系２４及び積分球１６は回転軸３４を中心に角度２θだけ回転させる。
この結果、本実施形態においては、光源１２よりの試料光２８を入射角変更後の試料３２の反射面に照射して得られた反射光５０の光路上に、試料光側光学系２４及び積分球１６の試料光側入射穴３８を位置させることができる。

一方、本実施形態においては、参照光側光軸４０は回転軸３４上に位置するので、積分球１６を回転軸３４を中心に角度２θだけ回転させても、参照光側検出器１８の参照光側光軸４０及び積分球１６の参照光側入射穴３６の位置は変わらない。
この結果、本実施形態においては、積分球１６の回転にかかわらず、参照光側光学系２２の位置及び向きを変えることなく、参照光側光学系２２を介して参照光２６を積分球１６内に入射させることができる。これにより、本実施形態においては、一般的な光ファイバに代えて、固定ミラー系よりなる参照光側光学系２２を用いても、一般的な光ファイバの持つ積分球１６の回転に対する追従性を損なうこともない。

このように本実施形態にかかる角度可変測定装置１０は、ダブルビームの光学系である参照光側光学系２２及び試料光側光学系２４を全てミラー系としているので、参照光側光学系として光ファイバを用いたものに比較し、参照光の強度変動を大幅に低減することができるので、入射角を容易に変更して反射率測定が高精度に行える。
また本実施形態においては、ダブルビームの光学系を全てミラー系とすることにより、光ファイバを用いたものに比較し、測定波長範囲の拡張も容易となる。

以下に、本実施形態の作用について、より具体的に説明する。
まず本実施形態においては、角度可変測定装置１０の光学系として、光源の輝度の変動ないし検出器の出力変動をキャンセルするため、試料光側光学系２４及び参照光側光学系２２というダブルビームの光学系を採用している。
そして、角度可変測定装置においてダブルビームの光学系とするためには、一端が光源に他端が積分球に接続され、光源からの参照光を積分球に入射させる光ファイバを用いることが一般的である。
ここで、試料の反射率は、試料光の試料の反射面への入射角を変えて測定を行う必要があり、入射角を変えるためには試料反射面の向きを変えるが、試料反射面の向きの変更に伴い積分球も回転させる必要がある。

しかしながら、一般的な角度可変測定装置では、積分球の回転に伴い積分球の試料光側入射穴と参照光側入射穴とが共に動いていた。しかも、従来の参照光側光学系は、光ファイバを用いているので、積分球の回転に伴い光ファイバが曲がる。光ファイバは、柔軟性を有しており、自在に形状を変化させるため、積分球の回転に対する追従性に優れていることから、従来は参照光側光学系として積極的に採用されていた。
＜測定の高精度化＞
本発明者が反射率測定の高精度化について鋭意検討を重ねた結果、積分球の回転に伴う光ファイバの曲がり具合により、参照光の強度に違いが現れることがわかった。

そこで、本実施形態においては、従来の光ファイバの持つ積分球の回転に対する追従性を損なうことなく、さらに、測定の高精度化を図るため、ダブルビームの光学系は全てミラー系とし、さらに以下の点を特徴としている。
すなわち、本実施形態においては、ダブルビームの光学系において、試料３２と積分球１６とが同軸（回転軸３４）上にあり、試料３２が回転軸３４を中心にθ回転し、試料光側光学系２４及び積分球１６は、同軸において（回転軸３４を中心に）２θで回転する。
また本実施形態においては、参照光側光軸４０の中心は、試料３２と積分球１６について同軸上にある。

さらに本実施形態においては、試料ステージ１４の回転軸３４、積分球１６の回転軸、及び試料光側光学系２４を保持するアーム５２の回転軸が同軸（回転軸３４）上にある。また折り返しミラー４４を用いて参照光側光軸４０の中心が、回転軸３４上に重なるようにしている。
この結果、本実施形態においては、試料光側光軸４２上に位置する積分球１６の試料光側入射穴３８は、回転ステージ１４の回転に伴い移動するが、参照光側光軸４０上に位置する積分球１６の参照光側入射穴３６は移動しないので、光ファイバに代えて、容易にミラーを用いることができる。

したがって、本実施形態においては、ダブルビームの全光学系がミラー系となり、参照光の光量が上昇し、また試料光の光量と参照光の光量とが近い値となる。
また本実施形態においては、ダブルビームの全光学系がミラー系であり、かつ参照光側光学系が駆動しないので、従来のように積分球に光ファイバが接続されており、積分球が動くと光ファイバが曲がり、光ファイバの曲がり具合による出力の差異が現れる可能性を完全に除去することができる。

したがって、本実施形態においては、入射角にかかわらず基準強度となる参照光強度が確実に一定強度となるので、入射角を容易に変えて反射率測定が高精度に行える。
＜測定波長範囲の拡張＞
さらに本実施形態においては、光ファイバに代えてダブルビームの全光学系をミラー系とすることにより、全波長領域における光への影響が少なくなり、測定波長範囲の拡張についても有利になる。
すなわち、従来は、測定波長範囲の拡張に伴い、光ファイバに紫外用と赤外用とを混合したものを用いていたので、全波長領域において光量が不利であった。これに対し、本実施形態においては、ダブルビームの全光学系をミラー系としているので、測定波長範囲を拡張しても全波長領域において光量の改善が図られる。

また従来は、光源よりの参照光を光ファイバに入射する時点で、その光量が４０〜５０％減少していた。これに対し、本実施形態においては、ダブルビームの全光学系をミラー系としているので、光伝送時の光量減少を光ファイバに比較し大幅に低減することができる。
自動化
本実施形態においては、前述のような反射率測定を自動に行うことも、前記反射率測定の高精度化が容易に行える点で好ましい。
図３には本実施形態にかかる角度可変測定装置の自動化機構の概略構成が示されている。
同図において、角度可変測定装置１０は、さらに設定手段６０と、試料角度変更手段６
２と、試料角度制御手段６４と、光学系角度変更手段６６と、光学系角度制御手段６８と、積分球角度変更手段７０と、積分球角度制御手段７２とを備える。

ここで、前記設定手段６０は、例えばコンピュータ７４よりなり、前記試料光の試料反射面への入射角の変更量である角度θを指示する。
また前記試料角度変更手段６２は、試料ステージ１４を回転させる。
前記試料角度制御手段６４は、例えばコンピュータ７４よりなり、設定手段６０よりの指示に基づいて、前記試料反射面が角度θだけ回転するように、試料角度変更手段６２により試料ステージ１４を角度θだけ回転させる。

前記試料角度制御手段６６は、例えばコンピュータ７４よりなり、試料光側光学系２４を回転させる。
前記光学系角度制御手段６８は、例えばコンピュータ７４よりなり、設定手段６０よりの指示に基づいて、試料角度変更手段６８により試料光側光学系２４を角度２θだけ回転させる。
前記積分球角度変更手段７０は、積分球１６を回転させる。
前記積分球角度制御手段７２は、例えばコンピュータ７４よりなり、設定手段６０より
の指示により、積分球角度変更手段７０により積分球１６を角度２θだけ回転させる。

なお、本実施形態においては、さらに、光源ドライバ７６と、光源制御手段７８と、入
力手段８０と、反射率取得手段８２とを備える。
ここで、光源ドライバ７６は、光源１２の波長を波長λずつ変える。
また光源制御手段７８は、例えばコンピュータ７４よりなり、光源ドライバ７６による光源１２の波長制御を行う。
入力手段８０は、例えばコンピュータのキーボード、マウスよりなり、測定入射角の変
更量である角度θを含む入射角、ないし測定波長の変更量である波長λを含む光源波長などを入力する。

反射率取得手段８２は、参照光側検出器１８よりの参照光強度、及び参照光側検出器２０よりの試料光の反射光強度に基づいて、各波長ないし各入射角での反射率を求める。
そして、使用者は、入力手段８０よりコンピュータ７４の設定手段６０に角度θないし波長λの設定を行うのみで、後はコンピュータ７４が以下に示されるような反射率測定を自動的に行う。
まず試料ステージ１４に試料を載置しない状態で、光源１２の波長を変えながら所定波長毎の試料光と、参照光側光学系から導かれた参照光を積分球１６で受光し検出する。そして、試料を介さない試料光の参照光に対する比率を所定波長毎にコンピュータ７４の反射率取得手段８２において測定し、その値をメモリーする。

次に試料ステージ１４に試料を載置し、試料ステージ１４を回転させることにより試料への試料光の入射角を調整すると共に、試料光側光学系２４及び積分球１６も入射角の変更に合せて回転させる。そして、試料で反射した試料光と、参照光側光学系から導かれた参照光を積分球１６で受光し、コンピュータ７４の反射率取得手段８２は、試料光の参照光に対する比率を、前記試料ステージに試料を載置しない状態と同様に、所定波長毎に測定する。

さらにコンピュータ７４の反射率取得手段８２は、試料を介さない試料光の参照光に対する比率のメモリー値を基準として、試料で反射した試料光の参照光に対する比率のメモリー値の比率を求め、その入射角における試料の反射率を測定し、これを出力する。
このようにしてコンピュータ７４に角度θないし波長λの設定を行うのみで、コンピュータ７４が自動的に前述のような反射率測定を行うので、試料の反射率を容易に求めることができる。

本発明の一実施形態にかかる角度可変測定装置の概略構成の説明図である。 本発明の一実施形態にかかる角度可変測定装置の入射角変更時の説明図である。 本発明の一実施形態にかかる角度可変測定装置の自動化機構の説明図である。

符号の説明

１０ 角度可変測定装置
１４ 試料ステージ
１６ 積分球
１８ 参照光側検出器
２０ 試料光側検出器
２２ 参照光側光学系
２４ 試料光側光学系
３６ 参照光側入射穴
３８ 試料光側入射穴

Claims (2)

1. 試料光及び参照光を出射する光源と、
   前記光源よりの試料光の固定光路上に試料を保持し、該試料の反射面の向きを変えるように回転自在に設けられた試料ステージと、
   前記試料ステージの回転軸と一致した回転軸を有し、かつ該回転軸を中心に回転自在に設けられ、該回転軸と一致しない試料光側光軸を有する試料光側入射穴、及び該回転軸と一致した参照光側光軸を有する参照光側入射穴が設けられた積分球と、
   前記試料ステージの回転軸と一致した参照光側光軸を有し、かつ前記積分球に設けられ、該積分球内に入射した、前記光源よりの参照光を検出する参照光側検出器と、
   前記試料ステージの回転軸と一致しない試料光側光軸を有し、かつ前記積分球に設けられ、該積分球内に入射した、前記光源よりの試料光を試料反射面に照射して得られた反射光の強度を検出する試料光側検出器と、
   少なくとも前記参照光側検出器の光軸と一致した光軸を有し、前記光源からの参照光を前記積分球の参照光側入射穴を介して該積分球内に入射させ前記参照光側検出器に入射させる、ミラー系よりなる参照光側光学系と、
   前記試料ステージの回転軸と一致した回転軸を有し、かつ該回転軸を中心に回転自在に設けられ、前記光源よりの試料光を試料の反射面に照射して得られた反射光を前記積分球の試料光側入射穴を介して該積分球内に入射させ前記試料光側検出器に入射させる、ミラー系よりなる試料光側光学系と、
   を備え、前記試料光側光学系及び前記参照光側光学系を、全てミラー系とし、
   また前記試料光の試料反射面への入射角を角度θだけ変える時は、前記試料反射面が角度θだけ回転するように前記試料ステージを角度θだけ回転させ、且つ前記試料光側光学系及び前記積分球を角度２θだけ回転させることを特徴とする角度可変測定装置。
2. 請求項１記載の角度可変測定装置において、
   前記試料光の試料反射面への入射角の変更量である前記角度θを指示する設定手段と、
   前記試料ステージを回転させる試料角度変更手段と、
   前記設定手段よりの指示に基づいて、前記試料反射面が角度θだけ回転するように、前記試料角度変更手段により前記試料ステージを角度θだけ回転させる試料角度制御手段と、
   前記試料光側光学系を回転させる光学系角度変更手段と、
   前記設定手段よりの指示に基づいて、前記光学系角度変更手段により前記試料光側光学系を角度２θだけ回転させる光学系角度制御手段と、
   前記積分球を回転させる積分球角度変更手段と、
   前記設定手段よりの指示に基づいて、前記積分球角度変更手段により前記積分球を角度２θだけ回転させる積分球角度制御手段と、
   を備えたことを特徴とする角度可変測定装置。
   

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