JP2010025876A - 微小距離測定方法および微小距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微小な物体とそれに近接する透光性の物体との距離、または物体表面の微小領域とそれに近接する透光性の物体との距離を測定する。
【解決手段】透光性の基板とそれに近接する物体との距離を光学的に測定する微小距離測定方法および装置は、レンズで集光した光を基板を通過させて物体に投光し、その際に基板の表面に斜め角度で前記光を入射させ、物体の表面で反射して基板を通過した光を受光し、受光した光の振動方向の異なる偏光成分の位相差を検出し、検出した位相差に基づいて基板と物体との距離を決定する。基板を通過した光の非点収差に因る物体上の照射スポットの拡がりを低減する透光性部材がレンズと基板との間の光路内に挿入され、透光性部材と基板とを通過した光が物体に入射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、透光性の基板とそれに近接する物体との距離を光学的に測定する微小距離測定方法および微小距離測定装置に関する。

僅かに離れた物体どうしの間の距離を正確に測定する方法は、例えばコンピュータを初めとする各種機器にデータ記憶手段として組み込まれるハードディスクドライブのスライダーの性能評価において重要である。スライダーは磁気ヘッドの支持体であり、高速回転するハードディスクの間近に磁気ヘッドを位置させる。スライダーとハードディスクとの距離は浮上高（フライングハイト）と呼ばれる。

ハードディスクは不透明の磁気記録層を有するので、浮上高の光学的な測定方法はハードディスクに代えて透光性部材であるガラスディスクを回転させ、ガラスディスクに近接するスライダーにガラスディスクを介して測定用の光を投光する。

投光に際して測定用の光を透明なディスクに垂直ではなく斜めに入射させる方法がある（特許文献１）。この測定方法では、ガラスディスクを通過した後にＡＢＳ(Air Bearing Surface)と呼ばれるスライダー表面で反射して再びディスクを通過した反射光が、強度メータと位相検出器とに受光される。そして、受光された光の偏光ｓと偏光ｐの相対的な位相とそれぞれの偏光の光量に基づいて、既知の関数を適用して浮上高が計算される。この測定方法には、測定用の光の投光および受光を担う光学装置を用いてスライダー表面の複素屈折率をも測定することができるという利点がある。複素屈折率は上記関数に関わるパラメータであり、正確な浮上高を算出する上で測定すべきものである。複素屈折率の測定では、ディスクを介さずにスライダーに測定用の光が投光される。
特開平０８−２７１２３０号公報

例えば複雑な表面形状をもつスライダーの性能を評価するには、スライダー表面の一部分に注目して浮上高を測定したり、複数の部分のそれぞれにおける浮上高を測定したりする必要がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされ、微小な物体とそれに近接する透光性の物体との距離、または物体表面の微小領域とそれに近接する透光性の物体との距離の測定に有用な測定方法および測定装置の提供を目的としている。

上記目的を達成する測定方法は、透光性の基板とそれに近接する物体との距離を光学的に測定する微小距離測定方法であって、レンズで集光した光を前記基板を通過させて前記物体に投光し、その際に前記基板の表面に斜め角度で前記光を入射させる過程、前記物体の表面で反射して前記基板を通過した光を受光する過程、受光した光の振動方向の異なる偏光成分の位相差を検出する過程、および検出した位相差に基づいて前記基板と前記物体との距離を決定する過程を備えており、前記基板を通過した光の非点収差に因る前記物体上の照射スポットの拡がりを低減する透光性部材を前記レンズと前記基板との間の光路内に挿入し、前記透光性部材と前記基板とを通過した光を前記物体に入射させる。

透光性部材の挿入によって物体上の照射スポットの拡がりが低減されるので、物体表面のより小さい領域とそれに近接する基板との距離の測定が可能になる。また、スポット中心付近の照射強度が大きくなるので、受光信号のＳＮ比が高まって測定精度が向上する。

好ましい態様では、前記透光性部材として、材質および厚さが前記基板のそれらと実質的に等しい補正板を前記光路内に挿入し、その際に前記補正板に入射する光の入射角度が前記斜め角度と等しくかつ前記基板に入射する光のp偏光方向に沿うように前記補正板を配置する。この態様によれば、特殊な光学部品ではなく、基板と同種の板を用いて比較的に容易に物体上の照射スポットの絞り込みを実現することができる。

他の好ましい態様では、前記透光性部材として、材質が前記基板のそれと実質的に等しい偶数枚の補正板を前記光路内に挿入し、その際にあらかじめ前記補正板のうちの半分である第１補正板の厚さの合計および残りの半分である第２補正板の厚さの合計を共に前記基板の厚さの半分としておき、前記第１補正板に入射する光の入射角度が前記斜め角度と等しくかつ前記基板に入射する光のp偏光方向に沿うように前記第１補正板を配置し、前記第２補正板に入射する光の入射角度が前記斜め角度と等しくかつ前記p偏光方向に沿いかつ前記第１補正板と平行でないように前記第２補正板を配置する。この態様には、第１補正板による光軸の変位と第２補正板による光軸の変位とが打ち消しあって、これら補正板の挿入による物体上の照射スポット位置のずれの軽減される利点がある。

透光性部材の材質は必ずしも基板の材質と完全に同一である必要はなく、光学的性質（主に複素屈折率）が基板のそれと類似しておればよい。許容される類似範囲は物体上で所望の十分に小さい照射スポット径が得られる範囲である。

透光性部材としてシリンドリカルレンズを用いても良い。シリンドリカルレンズの曲率半径は投光用のレンズの開口数（ＮＡ）に応じて選定される。シリンドリカルレンズは、基板に光が斜め角度で入射することにより生じる非点収差を低減するように適切に配置される。

上記目的を達成する測定装置は、透光性の基板とそれに近接する物体との距離を光学的に測定する微小距離測定装置であって、レーザ光源とレンズを備え、前記レンズで集光したレーザ光を前記基板を通過させて前記物体に投光し、その際に前記基板の表面に斜め角度で前記レーザ光を入射させる投光手段、前記物体の表面で反射して前記基板を通過したレーザ光を受光し、受光したレーザ光の振動方向の異なる偏光成分の位相差を検出する受光手段、および検出された位相差に基づいて前記基板と前記物体との距離を決定する信号処理手段を備えており、前記投光手段は、前記レンズと前記基板との間の光路内に挿入されて前記基板を通過した光の非点収差に因る前記物体上の照射スポットの拡がりを低減する透光性部材を備える。

本発明によれば、微小な物体とそれに近接する透光性の物体との距離、または物体表面の微小領域とそれに近接する透光性の物体との距離を測定することができる。

図１は本発明の実施形態に係る浮上高測定装置１の概略図である。浮上高測定装置１は、透光性の基板であるガラスディスク５とそれに近接する物体としてのスライダー７との距離ｈ（以下、これを浮上高ｈという）を光学的に測定する微小距離測定装置である。この浮上高測定装置１は、ハードディスクドライブの部品であるスライダーの設計評価において１つまたは複数の試作品の性能試験に用いることができ、また、スライダーの量産における製品検査にも用いることができる。

図１のように、浮上高測定装置１は、ハードディスク（記録媒体）の代用品としてのガラスディスク５、ガラスディスク５を高速回転させるスピンドルモータ６、スライダー７を片持ち支持するヘッドジンバルアセンブリ８、スライダー７に向けてレーザ光１３を射出する投光手段１０、スライダー７の表面（ＡＢＳ）で反射したレーザ光１３Ｒを受光する受光手段２０、および受光手段２０の出力に基づいて浮上高ｈを算定する信号処理手段としてのコンピュータ３０を備える。そして、図示されてはいないが、ガラスディスク５とスライダー７とのディスク面に沿う方向の相対位置を変更するためのスライドテーブル機構、およびスライダー７を照射スポット位置の判別が可能な解像度で撮影して画面に表示するモニター装置などが浮上高測定装置１に組み付けられる。

投光手段１０は、波長６３２．８ｎｍのレーザ光１３を射出するＨｅＮｅレーザ光源１２、図示しないピント調整機構に組み込まれた開口数ＮＡが０．０１以下である集光用のレンズ１４、および詳細を後述する補正板１６を備えており、１０ｎｍ以下の浮上高ｈの測定に適するように設計されている。受光手段２０は、対物レンズ２２、およびｐ偏光成分とｓ偏光成分の位相差を検出する検出器２４を備える。

図１の例示ではスライダー７がガラスディスク５の下方に配置されているが、スライダー７とガラスディスク５の上下関係が例示と逆であってもよい。ただし、いずれにしてもガラスディスク５を介してスライダー７のガラスディスク５と対向する表面であるＡＢＳに光を投光する。

浮上高ｈの測定の原理は特許文献１に開示されているので、測定方法の概要のみを次に説明する。

浮上高ｈの測定はガラスディスク５が高速回転している状態で行われる。投光手段１０のレンズ１４で集光したレーザ光１３はガラスディスク５を通過してスライダー７を照射する。このとき、投光手段１０は、ガラスディスク５の表面に例えば６０度程度の斜め角度θでレーザ光１３を入射させる。斜めに入射させることにより、垂直入射の場合に生じるガラスディスク５での正反射は起こらない。

スライダー７に入射したレーザ光１３はスライダー７の表面で反射する。反射したレーザ光１３の一部はガラスディスク５の表面で反射せずにガラスディスク５を通過して受光手段２０へ向かって進み、他の一部はガラスディスク５とスライダー７との対向面間で多重反射をした後に受光手段２０へ向かって進む。つまり、受光手段２０へ向かう光には反射回数の異なる光が含まれる。ガラスディスク５とスライダー７との対向面間の距離（すなわち、浮上高ｈ）が１００ｎｍ程度またはそれ以下の場合には多重反射によって干渉が起こり、ｐ偏光成分とｓ偏光成分との間に位相差が生じる。位相差と浮上高ｈとの間には図２に示される理論上で定まった関係があるので、コンピュータ３０は受光手段２０によって得られた位相差の検出結果をこの関係に当てはめることによって浮上高ｈを決定する。

図２の関係は、多重反射の起こる層構造を形成する３つの要素、すなわちガラスディスク５、スライダー７、およびガラスディスク５とスライダー７との間隙を満たす空気のそれぞれの複素屈折率に依存する（なお、以下、複素屈折率の値を（ｎ，ｋ）という。ｎは実数部の屈折率で、ｋは虚数部の消衰係数である）。３つの要素のうち、空気の（ｎ，ｋ）は既知であって（１．０００３，０）である。ガラスディスク５の（ｎ，ｋ）は浮上高測定装置１に組み付ける以前に知ることができる。例えば、ガラスディスク５としてオハラ社製ＧＤ−ＦＨＴを使用する場合、その（ｎ，ｋ）は（１．５２６，０）である。しかし、スライダー７の性能評価の用途では、スライダー７の（ｎ，ｋ）が未知であることが多い。また、より正確に浮上高ｈを測定するには、スライダー７の照射スポットの（ｎ，ｋ）を知る必要がある。このため、浮上高測定装置１はスライダー７の（ｎ，ｋ）を測定するエリプソメータとして機能する。

図３はエリプソメータとして機能するときの浮上高測定装置１の状態を示している。上記スライドテーブル機構の駆動によって例えばガラスディスク５がスピンドルモータ６とともにレーザ光路から外れた退避位置へ移動する。スピンドルモータ６をハウジングに固定する構成ではスライダー７と光学系を移動させる。また、投光手段１０の補正板１６もレーザ光路から外れた退避位置へ移される。その後、投光手段１０によってガラスディスク５を介さずに直接にスライダー７にレーザ光が投光される。このとき、スライダー７における入射角度は浮上高ｈの測定時のガラスディスク５に対する投光の入射角度と同一またはそれに近い斜め角度である（例えば６０度）。本例の浮上高測定装置１においては、スライダー７上の照射スポットが短径２０μｍ程度で長径４０μｍ程度の大きさの楕円状となるようにレンズ１４によってレーザ光ビームが絞られる。

スライダー７の（ｎ，ｋ）の測定を浮上高ｈの測定の後に行うこともできるが、前に行うのが望ましい。コンピュータ３０は測定されたスライダー７の（ｎ，ｋ）とあらかじめ記憶しているガラスディスク５および空気のそれぞれの（ｎ，ｋ）に基づいて、上記位相差と浮上高ｈとの関係を計算し、計算された関係と測定された位相差とから浮上高ｈの測定値を決定する。多数のスライダーの性能を評価するためにそれらを１つずつ順に浮上高測定装置１に組み付けてそれぞれの浮上高ｈを測定する場合には、スライダーを取り替えるごとに新たに組み付けられたスライダーの浮上高ｈの測定に先立って、そのスライダーの（ｎ，ｋ）を測定する。

ところで、ハードディスクドライブの分野では、データ転送速度の向上を図るために磁気ヘッドに流す電流を微弱にする傾向にあり、磁気ヘッドを記録媒体のディスクに近づける必要から、磁気ヘッドの支持体であるスライダーの浮上高ｈが１０ｎｍ以下であることが望まれている。浮上高ｈが小さいほど、測定において許容される誤差も小さい。すなわち、浮上高ｈの測定には、より高い精度が要求される。また、スライダーには高い性能が要求されるので、特に設計段階での性能評価のための浮上高ｈの測定をスライダーの表面の複数箇所について行う必要がある。複数箇所の測定を行うことでスライダーの浮上姿勢が判る。一般にスライダーの表面は平坦ではなく良好な空気力学特性を得るよう形成された凹凸を有しているので、スライダーの表面の凹部分と凸部分とを区別して浮上高ｈを測定しなければならない。

スライダーの表面の複数箇所について浮上高ｈを測定するには、各箇所に限定的に光が入射するように投光に際してスライダー表面上の照射スポットを十分に小さくする必要がある。加えて、箇所ごとに（ｎ，ｋ）を測定し、（ｎ，ｋ）の測定時と浮上高ｈの測定時とで照射スポットの位置を一致させかつ大きさを同等にする必要がある。なお、実際の測定手順としては、スポット位置をモニターしながら順に変更して複数箇所の（ｎ，ｋ）を測定しておき、その後に同様にスポット位置を順に変更して複数箇所の浮上高ｈを測定する。

しかし、（ｎ，ｋ）の測定時にはガラスディスク５を介さずにスライダー７に投光するのに対して浮上高ｈの測定時にはガラスディスク５を介して投光するので、浮上高ｈの測定に際して（ｎ，ｋ）の測定時と同じ光学条件で投光すると、ガラスディスク５を通過する光のｐ偏光成分とｓ偏光成分とで屈折条件が異なることから非点収差によって照射スポットが（ｎ，ｋ）測定時の照射スポットよりも拡がってしまう。１０ｎｍ以下の浮上高ｈを測定しようとするときには、非点収差の影響は深刻である。この非点収差による照射スポットの拡がりを低減するのが、投光手段１０に備わる平板状の補正板１６の役割である。

図４は補正板１６の配置の向きを示す。ここでは、図４（Ａ）の斜視図のように、ガラスディスク５に入射角度θで入射する光の光軸１３１に対して直交座標軸を定める。光の進行方向にＺ軸を定め、光軸１３１とガラスディスク５の表面で反射する光の光軸とを含む仮想の平面に沿う方向にＸ軸を定める。これによりＺ軸およびＸ軸と直交するＹ軸が定まる。本明細書でいうｐ偏光とはＸ軸に沿う方向に振動する偏光であり、ｓ偏光とはＹ軸に沿う方向に振動する偏光である。

ＸＺ平面図である図４（Ｂ）およびＹＺ平面図である図４（Ｃ）のとおり、補正板１６はレンズ１４とガラスディスク５との間の光路内に挿入され、その際に当該補正板１６に入射する光の入射角度がガラスディスク５での入射角度θである斜め角度と実質的に等しくかつ当該補正板１６の表面がp偏光方向（すなわちＸ軸）に沿うように配置される。そして、補正板１６の厚さｄはガラスディスク５の厚さｄと実質的に等しい。例えば、ガラスディスク５が上述のオハラ社製ＧＤ−ＦＨＴである場合、ガラスディスク５および補正板１６の厚さｄは４．４５ｍｍである。なお、図４（Ａ）〜（Ｃ）において補正板１６およびガラスディスク５の斜線の付された部分はそれぞれの端面である。

補正板１６の材質はガラスディスク５の材質と実質的に等しい。補正板１６としては、ガラスディスク５と同じ組成のガラス板、ガラスディスク５と同じ品番の他のガラスディスクまたはそれから切り出したガラス板を使用することができる。

このような補正板１６をレンズ１４とガラスディスク５との間に上記の向きで配置することにより、レンズ１４からスライダー表面まで進む間のｐ偏光とｓ偏光の屈折条件が均等になる。すなわち、ガラスディスク５における入射角度θはｐ偏光に沿う平面での角度であるのに対し、補正板１６における入射角度θはｓ偏光に沿う平面での角度である。このことによって、光路の非点収差に因るスライダー表面での照射スポットの拡がりが低減される。

投光手段１０の変形として、補正板１６に代えて図５（Ａ）および（Ｂ）に要部が示される浮上高測定装置１ｂのように、第１および第２の合わせて偶数枚の補正板１７，１８を所定光路内に挿入してもよい。例示は枚数が２の例である。浮上高測定装置１ｂにおいて、第１の補正板１７のガラスディスク５に対する配置の向きは上述の例の補正板１６のそれと同じである。すなわち、第１の補正板１７は、これに入射する光の入射角度θがガラスディスク５に対する上記斜めの入射角度θと等しくかつガラスディスク５に入射する光のp偏光方向に沿うように配置される。一方、第２の補正板１８は、これに入射する光の入射角度θがガラスディスク５に対する上記斜めの入射角度θと等しくかつガラスディスク５に入射する光のp偏光方向に沿いかつ第１の補正板１７と平行でないように配置される。第１の補正板１７の厚さは実質的にガラスディスク５の厚さｄの半分（ｄ／２）であり、第２の補正板１７の厚さも実質的にガラスディスク５の厚さｄの半分（ｄ／２）である。つまり、第１及び第２の補正板１７，１８の厚さの合計はガラスディスク５の厚さｄと実質的に等しい。そして、これらの補正板１７，１８の材質はガラスディスク５の材質と実質的に等しい。例示は２枚の例であるが、４枚以上の偶数枚の補正板を挿入してもよい。４枚以上の場合、半数の補正板の厚さの合計をガラスディスク５の厚さｄの半分とし、残りの半数の補正板の厚さの合計もガラスディスク５の厚さｄの半分とする。この条件を満たす限り各補正板の厚さは任意であり、全ての厚さが同じである必要はない。半数を補正板１７と同様の向きに、残りの半数を補正板１７と同様の向きに配置する。図示では光の進行方向の前側に第２の補正板１８が後ろ側に第１の補正板１７が挿入されているが、配置の順序は逆でもよい。

図５のように偶数枚の補正板１７，１８を挿入する構成には、上述の例と同様に照射スポットの拡がりを低減することができるという効果に加えて、第２の補正板１８による光軸の変位と第１の補正板１７による光軸の変位とが打ち消しあって、これら補正板１７，１８の挿入によるスライダー５上の照射スポット位置のずれが軽減される利点を有する。照射スポット位置のずれが軽減されると、（ｎ，ｋ）の測定から浮上高ｈの測定に移行するときの照射スポット位置の調整量が少なくなりまたは調整が不要になる。

以上の実施形態の他に、図６に要部に示される浮上高測定装置２のように、レーザ光源１２とガラスディスク５との間の光路内にシリンドリカルレンズ１９を挿入する実施形態がある。シリンドリカルレンズ１９の挿入位置は、レンズ１４とガラスディスク５との間の位置でもよいし、図６中に破線で示すようにレーザ光源１２とレンズ１４との間の位置でもこれら位置の両方でもよい。適切な向きでシリンドリカルレンズ１９を配置することによってスライダー表面での照射スポットの拡がりを低減することができる。なお、レンズ１４の開口数が０．０１以下と小さいので、適合するシリンドリカルレンズ１９の曲率半径は数千ｍｍ程度であり、実際のシリンドリカルレンズ１９の表面はほとんど平坦である。

本発明の実施形態に係る浮上高測定装置の概略図である。 ｐ偏光とｓ偏光との間の位相差と浮上高と関係を摸式的に示すグラフである。 エリプソメータとして機能するときの浮上高測定装置の状態を示図である。 浮上高測定装置に備わる補正板の配置の向きを示す図である。 補正板の配置の変形例を示す図である。 他の実施形態に係る浮上高測定装置の概略図である。

符号の説明

１，１ｂ，２ 浮上高測定装置（微小距離測定装置）
５ ガラスディスク（透光性の基板）
７ スライダー（物体）
ｈ 浮上高（基板と物体との距離）
１４ レンズ
θ 入射角度（斜め角度）
１６ 補正板（透光性部材）
１７ 第１の補正板（第１補正板）
１８ 第２の補正板（第２補正板）
ｄ ガラスディスクの厚さ（基板の厚さ）
１０ 投光手段
１２ レーザ光源
２０ 受光手段
３０ コンピュータ（信号処理手段）

Claims (6)

1. 透光性の基板とそれに近接する物体との距離を光学的に測定する微小距離測定方法であって、
   レンズで集光した光を前記基板を通過させて前記物体に投光し、その際に前記基板の表面に斜め角度で前記光を入射させる過程、
   前記物体の表面で反射して前記基板を通過した光を受光する過程、
   受光した光の振動方向の異なる偏光成分の位相差を検出する過程、および
   検出した位相差に基づいて前記基板と前記物体との距離を決定する過程を備えており、
   前記基板を通過した光の非点収差に因る前記物体上の照射スポットの拡がりを低減する透光性部材を前記レンズと前記基板との間の光路内に挿入し、前記透光性部材と前記基板とを通過した光を前記物体に入射させる
   ことを特徴とする微小距離測定方法。
2. 前記透光性部材として、材質および厚さが前記基板のそれらと実質的に等しい補正板を前記光路内に挿入し、その際に前記補正板に入射する光の入射角度が前記斜め角度と等しくかつ前記基板に入射する光のp偏光方向に沿うように前記補正板を配置する
   請求項１に記載の微小距離測定方法。
3. 前記透光性部材として、材質が前記基板のそれと実質的に等しい偶数枚の補正板を前記光路内に挿入し、その際に
   あらかじめ前記補正板のうちの半分である第１補正板の厚さの合計および残りの半分である第２補正板の厚さの合計を共に前記基板の厚さの半分としておき、
   前記第１補正板に入射する光の入射角度が前記斜め角度と等しくかつ前記基板に入射する光のp偏光方向に沿うように前記第１補正板を配置し、
   前記第２補正板に入射する光の入射角度が前記斜め角度と等しくかつ前記p偏光方向に沿いかつ前記第１補正板と平行でないように前記第２補正板を配置する
   請求項１に記載の微小距離測定方法。
4. 透光性の基板とそれに近接する物体との距離を光学的に測定する微小距離測定装置であって、
   レーザ光源とレンズを備え、前記レンズで集光したレーザ光を前記基板を通過させて前記物体に投光し、その際に前記基板の表面に斜め角度で前記レーザ光を入射させる投光手段、
   前記物体の表面で反射して前記基板を通過したレーザ光を受光し、受光したレーザ光の振動方向の異なる偏光成分の位相差を検出する受光手段、および
   検出された位相差に基づいて前記基板と前記物体との距離を決定する信号処理手段を備えており、
   前記投光手段は、前記レンズと前記基板との間の光路内に挿入され、前記基板を通過した光の非点収差に因る前記物体上の照射スポットの拡がりを低減する透光性部材を備える
   ことを特徴とする微小距離測定装置。
5. 前記投光手段は、前記透光性部材として材質および厚さが前記基板のそれらと実質的に等しい補正板を備えており、
   前記補正板は、前記補正板に入射する光の入射角度が前記斜め角度と等しくかつ前記基板に入射する光のp偏光方向に沿うように配置されている
   請求項４に記載の微小距離測定装置。
6. 前記投光手段は、前記透光性部材として材質が前記基板のそれと実質的に等しい偶数枚の補正板を備えており、
   前記補正板のうちの半分である第１補正板の厚さの合計および残りの半分である第２補正板の厚さの合計は共に前記基板の厚さの半分であり、
   前記第１補正板は、前記第１補正板に入射する光の入射角度が前記斜め角度と等しくかつ前記基板に入射する光のp偏光方向に沿うように配置され、
   前記第２補正板は、前記第２補正板に入射する光の入射角度が前記斜め角度と等しくかつ前記p偏光方向に沿いかつ前記第１補正板と平行でないように配置されている
   請求項４に記載の微小距離測定装置。

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