JP3704952B2 - 媒質の測定装置および測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透明もしくは略透明な薄板や薄膜等の測定対象となる媒質の厚さと屈折率の光学的な測定に係り、その測定を高精度で測定できるようにした測定装置及び測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜や光ガラス等の透明試料の厚さを測定する手段として、低コヒーレンス干渉法やレーザ光を試料にスポット照射する方法などが知られている。低コヒーレンス干渉法を用いる光学測定系として、例えば特開平１０−２８５５号公報に開示されているものがある。この公報に記載された光学測定系は、積層構造体に対して光を照射する光源と、この点光源と積層構造体との間に順に配列されたビームスプリッターおよび対物レンズと、点光源と積層構造体とを結ぶ直線上において、ビームスプリッターの一方に配置された参照光ミラーと、ビームスプリッターの他方に配置した検出器を備えるというものである。このような光学測定系の基本的な構成は、低コヒーレンス干渉法を利用するものではごく一般的なものして従来から知られている。
【０００３】
一方、低コヒーレンス干渉法は、光学的に透明な測定対象に平行なまたは集光されたビームを照射し、測定対象である媒質の前面または後面からのそれぞれの反射信号光と参照光との光路差が等しくなるように参照光ミラーの２点の位置を特定し、これらの２点の位置の間隔から測定対象の前面と後面の光路差を測定するというのが基本原理である。ところが、測定対象の前面と後面との間の光路差は、測定対象の群屈折率と厚さの積で表される光学的厚さである。したがって、このような低コヒーレンス干渉法による測定では、測定対象である媒質の位相屈折率と群屈折率を容易には分離して測定できない。
【０００４】
これに対し、本出願人らは、媒質の位相屈折率及び複屈折率と厚さの分離測定を可能とするとともに位相屈折率を群屈折率の測定を可能とする光干渉法を利用した測定方法及びその装置を創作し、特願平９−１９９６２１号として出願した。以下にこれを説明する。
【０００５】
図４は従来の測定装置の全体の概略図である。この図４においては、低コヒーレンス光を照射する発光素子５１に対峙してその光軸方向に移動可能とした測定ステージ５２を配置し、この測定ステージ５２に測定対象である媒質Ｍを保持搭載可能としている。発光素子５１から測定ステージ５２までの光路にはコリメートレンズ５３、ビームスプリッター５４、集光レンズ５５を光軸に合わせて配置し、集光レンズ５５は測定ステージ５２と同じ方向に移動操作可能としたステージ５５ａに搭載されている。更に、発光素子５１からの光軸に対してビームスプリッター５４内で直交する位置関係として参照光ミラー５６及び受光素子５７を配置する。参照光ミラー５６は発光素子５１の光軸と直交する方向に移動操作可能なステージ５６ａに搭載した振動子５６ｂに固定され、受光素子５７はその前面側に配置したレンズ５７ａからの光を受け、その検出信号を検出回路５８に出力可能としたものである。以上の要素のなかで、検出回路５８を除く全ては剛性の高い定盤（図示せず）の上に配置され、パーソナルコンピュータ等を利用した操作端末５９を備える。この操作端末５９は検出回路５８からのデジタル信号を受けてデータ処理するとともに、ステージコントローラ６０に信号を入力して各ステージ５２，５６ａ，５５ａの移動方向及び移動量を制御する。
【０００６】
このような光学測定系では、発光素子５１からの低コヒーレンス光はコリメートレンズ５３によってコリメートされた後ビームスプリッター５４によって二等分され、その光の一方は集光レンズ５５を通過して媒質Ｍに集光され、他方の光は参照光ミラー５６側へ進む。そして、媒質Ｍからの反射光はビームスプリッター５４から受光素子５７へ進み、振動子５６ｂによって或る周波数で所定の振幅の振動を加えられている参照光ミラー５６からの反射光は位相変調されて受光素子５７へ入射する。これらの受光素子５７への２つの入射光によって干渉信号が得られ、干渉信号強度が最大となるようにステージ５２または５５ａおよび５６ａの位置をステージコントローラ６０によって制御する。
【０００７】
実際の測定では、まず、発光素子５１からの低コヒーレンス光が媒質Ｍの前面に焦点を持つように測定ステージ５２の位置を設定する。そして、検出回路５８による干渉信号強度が最大となるように、ステージ５６ａを移動させて参照光ミラー５６の位置を調整する。次いで、発光素子５１からの低コヒーレンス光が測定対象の媒質Ｍの後面に焦点を持つように測定ステージ５２を発光素子５１側へ移動させ、このときの移動量をｚとする。
【０００８】
以上の設定の後、ステージ５６ａをビームスプリッター５４から離れる向きに移動させ、参照光ミラー５６からの反射光と媒質Ｍの後面からの反射光との間の干渉信号強度が再び最大となるようにステージ５６ａの位置を設定する。このときの参考光ミラー７のステージ５６ａの移動量をΔＬとする。これらの各ステージの移動量であるｚとΔＬの値から、測定対象の媒質Ｍの位相屈折率ｎと厚さｔを導出することができる。低コヒーレンス光を媒質Ｍに対して集光させる集光レンズ５５の開口数をＳ、媒質Ｍの位相屈折率をｎ、媒質Ｍの屈折率波長分散量をΔｎとする。波長分散量Δｎ＜＜１の近似の下で、上記の移動量であるΔＬとｚを用い、媒質Ｍの位相屈折率ｎは（数１）で表される。また（数１）中の波長分散量Δｎも上記のΔＬとｚと定数ａおよびｂを用いて、（数２）で表される。ここで定数ａおよびｂは、実験的に得られており、固体に対してはａが０．０２４１、ｂが１．６９となり、液体に対してはａが０．０４６０、ｂが１．５３となる。さらに測定対象の媒質Ｍの厚さｔは、ここで求められた媒体Ｍの位相屈折率ｎ、波長分散量Δｎと、上記の上記のΔＬとｚを用いて（数３）で表される。
【０００９】
【数１】
【００１０】
【数２】
【００１１】
【数３】
【００１２】
以上より、この測定においては、媒質Ｍの位相屈折率ｎと厚さｔを同時に光学的な測定によって得ることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
低コヒーレンス光を利用した干渉法による光学測定においては、ビームスプリッター５４から媒質Ｍへ向かうまでの光路長と、参照光ミラー５６へ向かうまでの光路長のそれぞれの長さを等しく設定できることが必須の条件である。このため、測定ステージ５２とステージ５６ａの移動量の制御は厳しく精度管理する必要があるほか、光学測定に必要なステージ走査範囲を持たせるため、それぞれの機器の配置にも制約を受ける。
【００１４】
図５は従来の測定装置における平面配置を示す模式図である。この例では、参照光ミラー５６と受光素子５７が図４の例と上下逆の関係として示しているが、測定原理については同様である。発光素子５１、媒質Ｍを保持搭載する測定ステージ５２、参照光ミラー５６を保持搭載したステージ５６ａ、受光素子５７は、水平レベルを保持された定盤６１の上に配置されている。そして、従来構造のものでは、ビームスプリッター５４を交点として２つの光路が直交する関係の配置となっている。ところが、先に述べたように光学測定に必要な光路長および走査範囲を持たせるため、ビームスプリッター５４から媒質Ｍおよび参照光ミラー５６の位置関係は、各々が搭載されたステージ５２，５６ａの走査範囲の中で、光路長が等しくなる部分を設定しなければならない。ゆえに、発光素子５１、媒質Ｍを保持搭載する測定ステージ５２等の構成要素部品の配置については、測定光学系の光路長を基準とした配置とする必要がある。このような状態における干渉光学系の測定装置では、振動による外乱が測定精度に大きく影響する。このため定盤６１は振動を減衰させる基台等の上に搭載して水平姿勢を保持できるような特殊な支持構造とすることが必要である。しかしながら、図４に示したように、測定ステージ５２や集光レンズ５５用のステージ５５ａ及び参照光ミラー５６用のステージ５６ａはステージコントローラ６０にコード結線され、検出回路５８と操作端末５９との間もコードで接続される。このため、これらのコードが基台側に連結されていると、基台側に伝わる振動がコードを介して定盤６１に伝達されることになる。そして、各コードが定盤６１の周りに分散して結線されると、それぞれのコードから伝わる振動が共振を伴う恐れがあり、測定精度に大きな影響を及ぼす。
【００１５】
このように従来の測定装置では、基台側が防振構造を持っていてもコードを介して振動が定盤６１に伝わるため測定精度への影響が避けられないという問題がある。
【００１６】
一方、測定対象の媒質Ｍの厚さが薄くなる場合、その前面と後面の両反射光による干渉信号の重なりの現象を生じ、測定精度が大幅に低下するだけでなく測定が困難になる。本発明者等の知見によれば、測定対象の媒質Ｍの厚さが１ｍｍ程度であれば、測定ステージ５２や参照光ミラー５６用のステージ５６ａを従来の技術で説明した走査方法を適用すれば、測定精度への影響は無視しうる。しかしながら、測定対象の媒質Ｍの厚さが概ね１００μｍ以下となると、従来の技術の項で説明した測定ステージ５２及び参照光ミラー５６用のステージ５６ａの走査では、高い精度の測定ができないことが判った。一例として、測定ステージ５２を１μｍのステップで±５０μｍの範囲で走査させ、参照光ミラー５６用のステージ５６ａを５μｍステップで±２０μｍの範囲で走査させると、１ｍｍ程度の厚さの測定対象Ｍについては０．２％以下の測定精度での厚さの測定が可能である。ところが測定対象の媒質Ｍの厚さが１００μｍ以下になる場合、測定ステージ５２を１μｍのステップ及び参照光ミラー５６用のステージ５６ａを５μｍのステップとしても、媒質Ｍの厚さに対する走査間隔が粗すぎるため、高精度の測定は実質的に困難である。これに対し、測定ステージ５２とステージ５６ａをたとえば０．１μｍのステップで走査させるようにすれば、反射光の干渉信号の最大値を精度良く検出でき、高精度の測定は可能である。しかしながら、０．１μｍのステップによる走査では、測定時間が大幅に長くなることになり、１μｍのステップの走査の場合と比べると１０倍以上もの時間を費やしてしまう。
【００１７】
このように従来の測定方法では、測定対象の媒質Ｍが薄いものであると、測定精度が低下する傾向にあり、これを補うために測定ステージ５２とステージ５６ａのステップを短くすると測定時間が長大となってしまうという問題がある。
【００１８】
さらに前述の従来の技術で述べてきたように、本出願人らが出願した特願平９−１９９６２１号出願の測定方法では、測定される媒質の屈折率と厚さｔの同時測定が可能となっているが、ここでの屈折率が位相屈折率ｎであることを前提としたものであった。しかし、光学的な分野で用いられる高精度な設計には媒質の光学的な厚さが必要であり、この媒質の光学的な厚さは群屈折率ｎ’と媒体の厚さｔの単純な積で表されるため、媒体の屈折率を位相屈折率と群屈折率に分離しておくことが求められている。
【００１９】
本発明は、屈折率と厚さを同時に測定する測定装置において、配線系統による機器への振動伝達による外乱の抑制、および屈折率を位相屈折率と群屈折率に分離すること等により、高精度の測定に対応できる測定装置を提供することを目的とする。さらに本発明は、屈折率と厚さを同時に測定する測定装置において、薄い媒質に対しても高精度の測定に対応できることを可能にする測定方法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、低コヒーレンス光を照射する光源と、前記光源の光軸方向に移動可能であって測定対象の媒質を保持する第１ステージと、前記光源と第１ステージとの間の光路に設けたビームスプリッターと、前記光源の光軸と平行に移動可能であって参照光ミラーを備えた第２ステージと、光の検波を行う受光素子とを定盤の上に配し、前記ビームスプリッターを介して前記媒質からの反射光と前記参照光ミラーからの参照光を合波して干渉させる干渉光学系による媒質の測定装置であって、少なくとも前記光源と、第１ステージと、第２ステージと、受光素子に接続された給電用、制御用および信号検出用等の複数のケーブルを、前記定盤の表面においてそのほぼ外郭に沿わせて配線し、全ての前記ケーブルを集束して前記定盤の外郭から外部に繰り出し配線してなる構成としたことを特徴とする。
【００２１】
この構成では、複数のケーブルを定盤の表面において外郭に沿わせることと、この全てのケーブルを集束して定盤から外部に繰り出すことで、配線系統による機器への振動伝達を抑制し、高精度の測定が可能になる。
【００２２】
また本発明は、低コヒーレンス光を照射する光源と、前記光源の光軸方向に移動可能であって測定対象の媒質を保持する第１ステージと、前記光源と第１ステージとの間の光路に設けたビームスプリッターと、前記光源の光軸と平行に移動可能であって参照光ミラーを備えた第２ステージと、光の検波を行う受光素子とを定盤の上に配し、前記ビームスプリッターを介して前記媒質からの反射光と前記参照光ミラーからの参照光を合波して干渉させる干渉光学系による媒質の測定装置であって、前記媒質を２枚の透明板どうしの間にそれぞれ間隙を設けて固定する媒質ホルダーを備えてなる構成としたことを特徴とする。
【００２３】
この構成では、媒質を２枚の透明板どうしの間にそれぞれ間隙を設けて固定する媒質ホルダーを備えることにより、屈折率を位相屈折率と群屈折率に分離することが可能となり、高精度の測定に対応できる。
【００２４】
さらに本発明は、低コヒーレンス光を照射する光源と、前記光源の光軸方向に移動可能であって測定対象の媒質を保持する第１ステージと、前記光源と第１ステージとの間の光路に設けたビームスプリッターと、前記光源の光軸と平行に移動可能であって参照光ミラーを備えた第２ステージと、光の検波を行う受光素子とを定盤の上に配し、前記ビームスプリッターを介して前記媒質からの反射光と前記参照光ミラーからの参照光を合波して干渉させる干渉光学系による媒質の測定方法であって、前記第１ステージおよび前記第２ステージのそれぞれを反復走査し、前記光源側に面した前記媒質の前面と、前記光源側と反対側となる媒質の後面とで、前記受光素子における光の最大干渉信号が得られる座標の収束値を特定し、前記収束値を前記媒質の屈折率および厚さの測定因子とする媒質の測定方法を用いる。
【００２５】
この測定方法では、第１ステージおよび第２ステージを反復走査し、媒質の前面と後面とで最大干渉信号が得られる座標の収束値を特定し、薄い媒質に対しても短時間で高精度の測定を可能にする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、低コヒーレンス光を照射する光源と、前記光源の光軸方向に移動可能であって測定対象の媒質を保持する第１ステージと、前記光源と第１ステージとの間の光路に設けたビームスプリッターと、前記光源の光軸と平行に移動可能であって参照光ミラーを備えた第２ステージと、光の検波を行う受光素子とを定盤の上に配し、前記ビームスプリッターを介して前記媒質からの反射光と前記参照光ミラーからの参照光を合波して干渉させる干渉光学系による媒質の測定装置であって、少なくとも前記光源と、第１ステージと、第２ステージと、受光素子に接続された給電用、制御用および信号検出用等の複数のケーブルを、前記定盤の表面においてそのほぼ外郭に沿わせて配線し、全ての前記ケーブルを集束して前記定盤の外郭から外部に繰り出し配線してなる媒質の測定装置であり、複数のケーブルを定盤の表面において外郭に沿わせることと、この全てのケーブルを集束して定盤から外部に繰り出すことで、この定盤は常に安定した姿勢に保持され、光軸のずれ等を伴うことなく高精度での測定が可能となるという作用を有する。
【００２７】
請求項２に記載の発明は、低コヒーレンス光を照射する光源と、前記光源の光軸方向に移動可能であって測定対象の媒質を保持する第１ステージと、前記光源と第１ステージとの間の光路に設けたビームスプリッターと、前記光源の光軸と平行に移動可能であって参照光ミラーを備えた第２ステージと、光の検波を行う受光素子とを定盤の上に配し、前記ビームスプリッターを介して前記媒質からの反射光と前記参照光ミラーからの参照光を合波して干渉させる干渉光学系による媒質の測定装置であって、前記媒質を２枚の透明板どうしの間にそれぞれ間隙を設けて固定する媒質ホルダーを備えてなる媒質の測定装置であり、媒質を挟む２枚の透明板どうしの間の間隙が空気としての屈折率を有していることを利用して、位相屈折率と厚さのみならず群屈折率を加えた高精度の同時測定も可能にするという作用を有する。
【００２８】
請求項３に記載の発明は、低コヒーレンス光を照射する光源と、前記光源の光軸方向に移動可能であって測定対象の媒質を保持する第１ステージと、前記光源と第１ステージとの間の光路に設けたビームスプリッターと、前記光源の光軸と平行に移動可能であって参照光ミラーを備えた第２ステージと、光の検波を行う受光素子とを定盤の上に配し、前記ビームスプリッターを介して前記媒質からの反射光と前記参照光ミラーからの参照光を合波して干渉させる干渉光学系による媒質の測定方法であって、前記第１ステージおよび前記第２ステージのそれぞれを反復走査し、前記光源側に面した前記媒質の前面と、前記光源側と反対側となる媒質の後面とで、前記受光素子における光の最大干渉信号が得られる座標の収束値を特定し、前記収束値を前記媒質の屈折率および厚さの測定因子とする媒質の測定方法であり、この反復走査で最大干渉信号が得られる座標の収束値を特定することにより、短い測定時間で高い精度の測定値が得られるという作用を有する。
【００２９】
図１は本発明の媒質の測定装置の平面配置を示す模式図であり、定盤１の上に構成要素となる各種機器を模式的に表したものである。
【００３０】
図１の（ａ）において、定盤１の上に、発光素子２，ビームスプリッター３，第１ステージ４，受光素子５，第２ステージ６がそれぞれ配置され、第１ステージ４には測定対象の媒質Ｍを搭載し、第２ステージ６には参照光ミラー７が図４の従来の技術で示した振動子を介して搭載されている。第１ステージ４は図中において発光素子２の光軸方向に移動可能であり、第２ステージ６は光軸と平行な方向に移動可能に設定されている。ここでビームスプリッター３は発光素子２の光軸に調心配置され、この光軸の延長上に第１ステージ４の中心が位置している。そして、受光素子５と第２ステージ６は、光軸に対して左右に離れた位置であって発光素子２とビームスプリッター３との間の中間に配置されている。このような受光素子５と第２ステージ６の位置にビームスプリッター３からの光を導くために、第１ミラー８ａと第２ミラー８ｂを発光素子２の光軸と４５°の交差角度を持たせて配置する。ビームスプリッター３から第２ミラー８ｂを経由しての参照光ミラー７までの光路長は、第１ステージ４上の測定対象の媒質Ｍの前面及び後面での反射光と参照光で干渉させたとき、各々の干渉信号強度が最大になるように設定する。このように第１，第２ミラー８ａ，８ｂを設けて光路を設定することによって、図５の例のようにビームスプリッター３と受光素子５及び参照光ミラー７と直線配列するのに比べると、図において定盤１のＹ方向の寸法を小さくしても、光路長を確保した測定系が得られる。
【００３１】
なお、受光素子５の検出回路は、たとえば図４の従来の技術と同様に操作端末５９に接続されたものとし、この操作端末５９に接続したステージコントローラ６０によって第１，第２ステージ４，６の移動を制御する。
【００３２】
また図１の（ｂ）の例は、受光素子５と第２ステージ６とを第１ステージ４側に配置したもので、第１，第２ミラー８ａ，８ｂの姿勢を変えた例である。また図１の（ｃ）の例は、この図１の（ｂ）の例において発光素子２を受光素子５とビームスプリッター３との間に位置させ、第３ミラー８ｃと第４ミラー８ｄとによって発光素子２からビームスプリッター４までの光路を形成したものである。これらの機器の平面レイアウトにおいては、いずれも図１の（ａ）と同様に、低コヒーレンス光を照射する光源と、この光源の光軸方向に移動可能であって測定対象の媒質を保持する第１ステージと、この光源と第１ステージとの間の光路に設けたビームスプリッターと、この光軸と平行に移動可能であって参照光ミラーを備えた第２ステージと、光の検波を行う受光素子とを定盤の上に配し、ビームスプリッターを介して媒質からの反射光と参照光ミラーからの参照光を合波して干渉させる干渉光学系による媒質の測定装置となっている。
【００３３】
図２は本発明の媒質の測定装置の具体的な構成を示す平面図である。この図２の例は、図１の（ａ）に示した機器のレイアウトに対応するものである。図２に示すように、定盤１の上に発光素子２，ビームスプリッター３，第１ステージ４，受光素子５，第２ステージ６がそれぞれ配置されている。これらの各機器の配置の位置関係は図１の（ａ）で説明したとおりであり、第２ステージ６には振動子６ａを固定してこの振動子６ａに参照光ミラー７を連結している。光路中には第１ミラー８ａ及び第２ミラー８ｂを配置するとともに、発光素子２からの低コヒーレンス光をコリメートするコリメートレンズ９ａ，ビームスプリッター３からの光を測定対象Ｍに集光させる集光レンズ９ｂ，受光素子５への反射光を集光させる反射光集光レンズ９ｃをそれぞれ備える。なお、図示の例は、定盤１上の全ての光学系についてのプレアラインメントの操作に使用するＨｅ−Ｎｅレーザーを用いたレーザー照射装置１０も付帯したもので、第２ステージ４側から光軸に臨ませるための光路を形成する２枚のミラー１０ａ，１０ｂを所定の位置に設けている。
【００３４】
図２において、定盤１の上に配置する機器のなかで、第１，第２ステージ４，６，発光素子２，受光素子５及びレーザー照射装置１０には給電及び制御用のケーブル１１が接続される。これらのケーブル１１は、たとえば図４の従来の技術で示した操作端末に接続され、給電と制御信号のやり取りをする。また、定盤１上で走査のために移動する第１，第２ステージ４，６にはそれぞれ第１増幅器１２ａ及び第１増幅器１２ｂを接続し、これらの第１，第２増幅機１２ａ，１２ｂにも同様にケーブル１１を接続する。更に、第２ステージ６に設けた振動子６ａにも独自にケーブル１１を接続する。ここで、定盤１は剛性を高くしたもので、その下面には防震ベースを一体に設けて設置面に定盤１の表面が水平姿勢となるように据え付けられる。この防震ベースには空気圧を用いたもの等がある。
【００３５】
これらの各機器に接続されたケーブル１１は合計１０本であり、図２から明らかなように、いずれも定盤１の外郭に沿って配線され、第１，第２増幅器１２ａ，１２ｂとの間から外に繰り出されている。すなわち、１０本のケーブル１１は全て一つの束となるようにまとめて定盤１の外郭から外に引き出された配線であり、もしこれらのケーブル１１に外力が作用しても、この束になった部分からのみ定盤１側に振動が伝わるだけである。このように、定盤１上の各機器からのケーブル１１を分散して外に配線するのに代えて、一つの束になるようにまとめて定盤１の外郭から外に繰り出すことによって、外力による定盤１への振動の伝達を抑えることができる。したがって、光学系による測定対象の媒質Ｍに対する干渉法を利用した測定の最中でも定盤１は常に安定した姿勢に保持され、光軸のずれ等を伴うことなく高精度での測定が可能となる。
【００３６】
ここで、測定対象の媒質Ｍの厚さが１００μｍ以下等の薄い場合では、媒質Ｍの前面及び後面の干渉信号の最大値を検出する場合、第１，第２ステージ４，６の走査ステップを小さくすることが必要であることは既に述べた。これに対して本発明においては、高精度の測定と短時間の走査の両面の改善のため、初期の段階では粗い走査ステップで第１，第２ステージ４，６のそれぞれを走査し、媒質Ｍの前面及び後面における干渉信号強度の概略のピーク座標をまず予め検出する。そして、この検出の後に、概略のピーク座標付近を第１，第２ステージ４，６を細かいステップで走査することによって、干渉信号の最大値が得られる座標を決定する。また、厚さ１０μｍオーダーの媒質の場合には、参照光ミラー側の光路（参照光アーム）と媒質側の光路（信号光アーム）の波長分散のバランスをとり（分散補償）、媒質前面と後面からの反射光の干渉を極力抑制して、干渉信号強度を検出する必要がある。以下、本発明の反復走査による測定方法について具体的に説明する。
【００３７】
（１）第１ステージ４を媒質Ｍの前面で最大干渉強度が得られる位置（概略座標ｚＦ１）まで移動させる。この後、第２ステージ６を測定対象Ｍの前面で最大の干渉強度が得られた位置（概略座標ＬＦ１）を中心に±２μｍの領域で０．１μｍのステップで走査させ、干渉信号強度を取り込む。この取り込んだデータから、概略座標ｚＦ１に対して最大干渉信号強度が得られた座標ＬＦ２を決定する。
【００３８】
（２）第１ステージ４を測定対象Ｍの後面で最大干渉強度が得られる位置（概略座標ｚＲ１）まで移動させる。この後、第２ステージ６を測定対象Ｍの後面で最大の干渉強度が得られた位置（概略座標ＬＲ１）を中心に±２μｍの領域で０．１μｍのステップで走査させ、干渉信号強度を取り込む。この取り込んだデータから、概略座標ｚＲ１に対して最大干渉信号強度が得られた座標ＬＲ２を決定する。
【００３９】
以上の（１），（２）により、１回目の第２ステージ６の走査が完了する。
（３）第２ステージ６を（１）の走査で最大の干渉強度が得られた前面位置（座標ＬＦ２）まで移動させる。この後、第１ステージ４を測定対象Ｍの前面で最大の干渉強度が得られた位置（概略座標ｚＦ１）を中心に±２μｍの領域で０．１μｍのステップで走査させ、干渉信号強度を取り込む。この取り込んだデータから、概略座標ＬＦ２に対して最大干渉信号強度が得られた座標ｚＦ２を決定する。
【００４０】
（４）第２ステージ６を（２）の走査で最大の干渉強度が得られた後面位置（座標ＬＲ２）まで移動させる。この後、第１ステージ４を測定対象Ｍの後面で最大の干渉強度が得られた位置（概略座標ｚＲ１）を中心に±２μｍの領域で０．１μｍのステップで走査させ、干渉信号強度を取り込む。この取り込んだデータから、概略座標ＬＦ２に対して最大干渉信号強度が得られた座標ｚＲ２を決定する。
【００４１】
以上の（３），（４）により１回目の第１ステージ４の走査が完了する。
（５）第１ステージ４を（３）の走査で最大の干渉強度が得られた前面位置（座標ｚＦ２）まで移動させる。この後、第２ステージ６を（１）の走査で最大の干渉強度が得られた前面位置（座標ＬＦ２）を中心に±２μｍの領域で０．１μｍのステップで走査させ、干渉信号強度を取り込む。この取り込んだデータから、座標ｚＦ２に対して最大干渉信号強度が得られた座標ＬＦ３を決定する。
【００４２】
（６）第１ステージ４を（４）の走査で最大の干渉強度が得られた後面位置（座標ｚＲ２）まで移動させる。この後、第２ステージ６を（２）の走査で最大の干渉強度が得られた後面位置（座標ＬＲ２）を中心に±２μｍの領域で０．１μｍのステップで走査させ、干渉信号強度を取り込む。この取り込んだデータから、座標ｚＲ２に対して最大干渉信号強度が得られた座標ＬＲ３を決定する。
【００４３】
以上の（５），（６）により２回目の第２ステージ６の走査が完了する。
（７）第２ステージ４を（５）の走査で最大の干渉強度が得られた前面位置（座標ＬＦ３）まで移動させる。この後、（３）の走査で最大の干渉強度が得られた前面位置（座標ｚＦ２）を中心に±２μｍの領域で０．１μｍのステップで走査させ、干渉信号強度を取り込む。この取り込んだデータから、概略座標ＬＦ３に対して最大干渉信号強度が得られた座標ｚＦ３を決定する。
【００４４】
（８）第２ステージ６を（６）の走査で最大の干渉強度が得られた後面位置（座標ＬＲ３）まで移動させる。この後、第２ステージ６を（２）の走査で最大の干渉強度が得られた後面位置（座標ｚＲ２）を中心に±２μｍの領域で０．１μｍのステップで走査させ、干渉信号強度を取り込む。この取り込んだデータから、概略座標ＬＲ３に対して最大干渉信号強度が得られた座標ｚＲ３を決定する。
【００４５】
以上の（７），（８）により２回目の第１ステージ４の走査が完了する。
このような（１）〜（８）の第１，第２ステージ４，６のそれぞれの走査を繰り返すことにより、最大干渉信号が得られる測定対象Ｍの前面及び後面の座標を絞りこんでいく。たとえば、測定対象Ｍが２０μｍ程度の厚さであれば、１０回程度の反復動作による走査を繰り返すと、第１ステージ４と第２ステージ６の測定対象の媒質Ｍの前面及び後面に対する座標が収束していく。そして、この収束した座標値を用いて媒質Ｍの前面及び後面における第１ステージ４の移動量ｚと第２ステージ６の移動量ΔＬを特定する。
【００４６】
（表１）は５０μｍの溶融石英板を測定対象として実際に走査したときの測定例である。このようにして特定したｚとΔＬは高精度な値となり、前述した（数１）、（数２）および（数３）を用いて算出することにより、媒質の厚さと位相屈折率の高精度な測定が可能になっている。
【００４７】
【表１】
【００４８】
図３は本発明の媒質の測定装置における媒質近傍を示す断面図であり、測定対象の媒質とこれを間隙を有して挟み込むホルダーの側面図となっている。このホルダーは、平行に配置された２枚の透明板１７ａおよび１７ｂの間に空気層を設けて媒質Ｍを挟持できる構造となっており、集光レンズ９ｂからの光が透明板１７ａ側から入射する。透明板１７ａおよび１７ｂの空隙ｔ0は使用する集光レンズ９ｂの焦点距離によって任意に決定することができる。
【００４９】
測定に際しては、透明板１７ａおよび１７ｂからなるホルダーの空隙ｔ0に媒質Ｍを挿入して挟持固定すると、透明板１７ａおよび１７ｂと媒質Ｍの間に、厚さｔ1およびｔ2の空気層ができる。ここで、透明板１７ａの後面１８，媒質Ｍの前後面位置１９，２０および透明板１７ｂの前面２１の４面において、各々、ｚとΔＬを決定する。透明板１７ａの後面１８と媒質Ｍの前面位置１９および媒質Ｍの後面位置２０と透明板１７ｂの前面２１の間は空気層であり、位相屈折率ｎ＝群屈折率ｎ’＝１であるので、透明板１７ａの後面１８と媒質Ｍの前面位置１９および媒質Ｍの後面位置２０と透明板１７ｂの前面２１の間で測定される各々のｚは、ｔ1，ｔ2となり、ΔＬは０となる。従って、前記した４面（１８，１９，２０，２１）の各々の測定によって、透明板１７ａの後面１８と媒質Ｍの前面位置１９の空気層ｔ1、媒質Ｍの前後面位置１９，２０におけるｚとΔＬ、および媒質Ｍの後面位置２０と透明板１７ｂの前面２１の空気層ｔ2が得られる。ここで、透明板１７ａの後面１８と透明板１７ｂの前面２１の間隔ｔ0は、前もって測定しておけば既知であるので、下記（数４）により、媒質の厚さｔが求められる。
【００５０】
【数４】
【００５１】
このようにｔが測定できるので、下記（数５）および（数６）を用いて位相屈折率ｎおよび群屈折率ｎ’を求めることができる。
【００５２】
【数５】
【００５３】
【数６】
【００５４】
この場合の一例として、測定対象の媒質Ｍに、厚みが９９７μmで位相屈折率ｎが１．７５８９および群屈折率ｎ’が１．７７９３のサファイヤ板を用いた結果を示す。図３において、集光レンズ９ｂの較正された開口数を０．１４０、また透明板１７ａおよび透明板１７ｂ間の空隙ｔ0を２２９２μmとして、媒質Ｍであるサファイヤ板をこの空隙間に挿入した。集光レンズ９ｂ側の透明板１７ａの後面１８と、媒質Ｍの前面位置１９の間の測定によって、空隙の屈折率が１であるため、上記ΔＬが０となる時の上記ｚは、空隙の長さｔ1に等しく１１０５μmの値を得た。同様に透明板１７ｂの前面２１と、媒質Ｍの後面位置２０の間の測定によって、上記ΔＬが０となる時の上記ｚは、空隙の長さｔ2に等しく１８８μmの値を得た。これを基に（数４）より、媒質Ｍであるサファイヤ板の厚みの測定値として９９９μmが得られ、これは上記のサファイヤ板の厚みである９９７μmに対して０．２％のずれしかなく、高精度の測定となっている。ここで、媒質Ｍの前面位置１９および媒質Ｍの後面位置２０の間の測定によって、上記ｚとして５６５μmおよび上記ΔＬとして１２１０μmが得られ、これらを基に（数５）および（数６）により、位相屈折率ｎで１．７５６３および群屈折率ｎ’で１．７７６８の測定値が得られた。これらの測定値は上記のサファイヤ板の位相屈折率および群屈折率に対して、０．２％および０．１％のずれしかなく、非常に高精度な測定結果が得られていることがわかる。
【００５５】
以上のように、媒質Ｍを固定するホルダーとして、媒質Ｍを２枚の透明板１７ａ，１７ｂどうしの間に間隙を設けて挟持できる媒質ホルダーを用いることにより、媒質Ｍの厚さおよび屈折率を位相屈折率と群屈折率に分離して測定することができる。
【００５６】
なお、本方法によれば、媒質Ｍの厚さｔを特定できるため、先に述べた反復走査と併用することにより、コヒーレンス長と同等な厚さの薄板、薄膜媒質の測定を行うことも可能である。
【００５７】
【発明の効果】
本請求項１に記載の媒質の測定装置によれば、機器のケーブルをまとめて束のようにしてテーブルから繰り出すことによりテーブルに対する振動の伝達が抑えられるので、測定精度が向上する。
【００５８】
また本請求項２に記載の媒質の測定装置によれば、測定対象の媒質を固定するホルダーとして、媒質を２枚の透明板に間隙を設けて挟持できる媒質ホルダーを用いることにより、媒質の厚さおよび屈折率を位相屈折率と群屈折率に分離した高精度な測定を行うことができる。
【００５９】
また、本請求項３に記載の媒質の測定方法によれば、薄い媒質であっても、媒質のステージ及び参照光ミラーのステージの走査を細かくして短時間で高精度の測定ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の媒質の測定装置の平面配置を示す模式図
【図２】本発明の媒質の測定装置の具体的な構造を示す平面図
【図３】本発明の媒質の測定装置における媒質近傍を示す断面図
【図４】従来の測定装置の全体の概略図
【図５】従来の測定装置における平面配置を示す模式図
【符号の説明】
１ 定盤
２ 発光素子
３ ビームスプリッター
４ 第１ステージ
５ 受光素子
６ 第２ステージ
６ａ 振動子
７ 参照光ミラー
８ａ 第１ミラー
８ｂ 第２ミラー
８ｃ 第３ミラー
８ｄ 第４ミラー
９ａ コリメートレンズ
９ｂ 集光レンズ
９ｃ 反射光集光レンズ
１０ レーザー照射装置
１０ａ，１０ｂ ミラー
１１ ケーブル
１２ａ 第１増幅器
１２ｂ 第２増幅器
１７ａ，１７ｂ 透明板
１８ 透明板１７ａの後面
１９ 媒質Ｍの前面位置
２０ 媒質Ｍの後面位置
２１ 透明板１７ｂの前面
【発明の属する技術分野】
本発明は、透明もしくは略透明な薄板や薄膜等の測定対象となる媒質の厚さと屈折率の光学的な測定に係り、その測定を高精度で測定できるようにした測定装置及び測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜や光ガラス等の透明試料の厚さを測定する手段として、低コヒーレンス干渉法やレーザ光を試料にスポット照射する方法などが知られている。低コヒーレンス干渉法を用いる光学測定系として、例えば特開平１０−２８５５号公報に開示されているものがある。この公報に記載された光学測定系は、積層構造体に対して光を照射する光源と、この点光源と積層構造体との間に順に配列されたビームスプリッターおよび対物レンズと、点光源と積層構造体とを結ぶ直線上において、ビームスプリッターの一方に配置された参照光ミラーと、ビームスプリッターの他方に配置した検出器を備えるというものである。このような光学測定系の基本的な構成は、低コヒーレンス干渉法を利用するものではごく一般的なものして従来から知られている。
【０００３】
一方、低コヒーレンス干渉法は、光学的に透明な測定対象に平行なまたは集光されたビームを照射し、測定対象である媒質の前面または後面からのそれぞれの反射信号光と参照光との光路差が等しくなるように参照光ミラーの２点の位置を特定し、これらの２点の位置の間隔から測定対象の前面と後面の光路差を測定するというのが基本原理である。ところが、測定対象の前面と後面との間の光路差は、測定対象の群屈折率と厚さの積で表される光学的厚さである。したがって、このような低コヒーレンス干渉法による測定では、測定対象である媒質の位相屈折率と群屈折率を容易には分離して測定できない。
【０００４】
これに対し、本出願人らは、媒質の位相屈折率及び複屈折率と厚さの分離測定を可能とするとともに位相屈折率を群屈折率の測定を可能とする光干渉法を利用した測定方法及びその装置を創作し、特願平９−１９９６２１号として出願した。以下にこれを説明する。
【０００５】
図４は従来の測定装置の全体の概略図である。この図４においては、低コヒーレンス光を照射する発光素子５１に対峙してその光軸方向に移動可能とした測定ステージ５２を配置し、この測定ステージ５２に測定対象である媒質Ｍを保持搭載可能としている。発光素子５１から測定ステージ５２までの光路にはコリメートレンズ５３、ビームスプリッター５４、集光レンズ５５を光軸に合わせて配置し、集光レンズ５５は測定ステージ５２と同じ方向に移動操作可能としたステージ５５ａに搭載されている。更に、発光素子５１からの光軸に対してビームスプリッター５４内で直交する位置関係として参照光ミラー５６及び受光素子５７を配置する。参照光ミラー５６は発光素子５１の光軸と直交する方向に移動操作可能なステージ５６ａに搭載した振動子５６ｂに固定され、受光素子５７はその前面側に配置したレンズ５７ａからの光を受け、その検出信号を検出回路５８に出力可能としたものである。以上の要素のなかで、検出回路５８を除く全ては剛性の高い定盤（図示せず）の上に配置され、パーソナルコンピュータ等を利用した操作端末５９を備える。この操作端末５９は検出回路５８からのデジタル信号を受けてデータ処理するとともに、ステージコントローラ６０に信号を入力して各ステージ５２，５６ａ，５５ａの移動方向及び移動量を制御する。
【０００６】
このような光学測定系では、発光素子５１からの低コヒーレンス光はコリメートレンズ５３によってコリメートされた後ビームスプリッター５４によって二等分され、その光の一方は集光レンズ５５を通過して媒質Ｍに集光され、他方の光は参照光ミラー５６側へ進む。そして、媒質Ｍからの反射光はビームスプリッター５４から受光素子５７へ進み、振動子５６ｂによって或る周波数で所定の振幅の振動を加えられている参照光ミラー５６からの反射光は位相変調されて受光素子５７へ入射する。これらの受光素子５７への２つの入射光によって干渉信号が得られ、干渉信号強度が最大となるようにステージ５２または５５ａおよび５６ａの位置をステージコントローラ６０によって制御する。
【０００７】
実際の測定では、まず、発光素子５１からの低コヒーレンス光が媒質Ｍの前面に焦点を持つように測定ステージ５２の位置を設定する。そして、検出回路５８による干渉信号強度が最大となるように、ステージ５６ａを移動させて参照光ミラー５６の位置を調整する。次いで、発光素子５１からの低コヒーレンス光が測定対象の媒質Ｍの後面に焦点を持つように測定ステージ５２を発光素子５１側へ移動させ、このときの移動量をｚとする。
【０００８】
以上の設定の後、ステージ５６ａをビームスプリッター５４から離れる向きに移動させ、参照光ミラー５６からの反射光と媒質Ｍの後面からの反射光との間の干渉信号強度が再び最大となるようにステージ５６ａの位置を設定する。このときの参考光ミラー７のステージ５６ａの移動量をΔＬとする。これらの各ステージの移動量であるｚとΔＬの値から、測定対象の媒質Ｍの位相屈折率ｎと厚さｔを導出することができる。低コヒーレンス光を媒質Ｍに対して集光させる集光レンズ５５の開口数をＳ、媒質Ｍの位相屈折率をｎ、媒質Ｍの屈折率波長分散量をΔｎとする。波長分散量Δｎ＜＜１の近似の下で、上記の移動量であるΔＬとｚを用い、媒質Ｍの位相屈折率ｎは（数１）で表される。また（数１）中の波長分散量Δｎも上記のΔＬとｚと定数ａおよびｂを用いて、（数２）で表される。ここで定数ａおよびｂは、実験的に得られており、固体に対してはａが０．０２４１、ｂが１．６９となり、液体に対してはａが０．０４６０、ｂが１．５３となる。さらに測定対象の媒質Ｍの厚さｔは、ここで求められた媒体Ｍの位相屈折率ｎ、波長分散量Δｎと、上記の上記のΔＬとｚを用いて（数３）で表される。
【０００９】
【数１】
【数２】
【数３】
以上より、この測定においては、媒質Ｍの位相屈折率ｎと厚さｔを同時に光学的な測定によって得ることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
低コヒーレンス光を利用した干渉法による光学測定においては、ビームスプリッター５４から媒質Ｍへ向かうまでの光路長と、参照光ミラー５６へ向かうまでの光路長のそれぞれの長さを等しく設定できることが必須の条件である。このため、測定ステージ５２とステージ５６ａの移動量の制御は厳しく精度管理する必要があるほか、光学測定に必要なステージ走査範囲を持たせるため、それぞれの機器の配置にも制約を受ける。
【００１４】
図５は従来の測定装置における平面配置を示す模式図である。この例では、参照光ミラー５６と受光素子５７が図４の例と上下逆の関係として示しているが、測定原理については同様である。発光素子５１、媒質Ｍを保持搭載する測定ステージ５２、参照光ミラー５６を保持搭載したステージ５６ａ、受光素子５７は、水平レベルを保持された定盤６１の上に配置されている。そして、従来構造のものでは、ビームスプリッター５４を交点として２つの光路が直交する関係の配置となっている。ところが、先に述べたように光学測定に必要な光路長および走査範囲を持たせるため、ビームスプリッター５４から媒質Ｍおよび参照光ミラー５６の位置関係は、各々が搭載されたステージ５２，５６ａの走査範囲の中で、光路長が等しくなる部分を設定しなければならない。ゆえに、発光素子５１、媒質Ｍを保持搭載する測定ステージ５２等の構成要素部品の配置については、測定光学系の光路長を基準とした配置とする必要がある。このような状態における干渉光学系の測定装置では、振動による外乱が測定精度に大きく影響する。このため定盤６１は振動を減衰させる基台等の上に搭載して水平姿勢を保持できるような特殊な支持構造とすることが必要である。しかしながら、図４に示したように、測定ステージ５２や集光レンズ５５用のステージ５５ａ及び参照光ミラー５６用のステージ５６ａはステージコントローラ６０にコード結線され、検出回路５８と操作端末５９との間もコードで接続される。このため、これらのコードが基台側に連結されていると、基台側に伝わる振動がコードを介して定盤６１に伝達されることになる。そして、各コードが定盤６１の周りに分散して結線されると、それぞれのコードから伝わる振動が共振を伴う恐れがあり、測定精度に大きな影響を及ぼす。
【００１５】
このように従来の測定装置では、基台側が防振構造を持っていてもコードを介して振動が定盤６１に伝わるため測定精度への影響が避けられないという問題がある。
【００１６】
一方、測定対象の媒質Ｍの厚さが薄くなる場合、その前面と後面の両反射光による干渉信号の重なりの現象を生じ、測定精度が大幅に低下するだけでなく測定が困難になる。本発明者等の知見によれば、測定対象の媒質Ｍの厚さが１ｍｍ程度であれば、測定ステージ５２や参照光ミラー５６用のステージ５６ａを従来の技術で説明した走査方法を適用すれば、測定精度への影響は無視しうる。しかしながら、測定対象の媒質Ｍの厚さが概ね１００μｍ以下となると、従来の技術の項で説明した測定ステージ５２及び参照光ミラー５６用のステージ５６ａの走査では、高い精度の測定ができないことが判った。一例として、測定ステージ５２を１μｍのステップで±５０μｍの範囲で走査させ、参照光ミラー５６用のステージ５６ａを５μｍステップで±２０μｍの範囲で走査させると、１ｍｍ程度の厚さの測定対象Ｍについては０．２％以下の測定精度での厚さの測定が可能である。ところが測定対象の媒質Ｍの厚さが１００μｍ以下になる場合、測定ステージ５２を１μｍのステップ及び参照光ミラー５６用のステージ５６ａを５μｍのステップとしても、媒質Ｍの厚さに対する走査間隔が粗すぎるため、高精度の測定は実質的に困難である。これに対し、測定ステージ５２とステージ５６ａをたとえば０．１μｍのステップで走査させるようにすれば、反射光の干渉信号の最大値を精度良く検出でき、高精度の測定は可能である。しかしながら、０．１μｍのステップによる走査では、測定時間が大幅に長くなることになり、１μｍのステップの走査の場合と比べると１０倍以上もの時間を費やしてしまう。
【００１７】
このように従来の測定方法では、測定対象の媒質Ｍが薄いものであると、測定精度が低下する傾向にあり、これを補うために測定ステージ５２とステージ５６ａのステップを短くすると測定時間が長大となってしまうという問題がある。
【００１８】
さらに前述の従来の技術で述べてきたように、本出願人らが出願した特願平９−１９９６２１号出願の測定方法では、測定される媒質の屈折率と厚さｔの同時測定が可能となっているが、ここでの屈折率が位相屈折率ｎであることを前提としたものであった。しかし、光学的な分野で用いられる高精度な設計には媒質の光学的な厚さが必要であり、この媒質の光学的な厚さは群屈折率ｎ’と媒体の厚さｔの単純な積で表されるため、媒体の屈折率を位相屈折率と群屈折率に分離しておくことが求められている。
【００１９】
本発明は、屈折率と厚さを同時に測定する測定装置において、配線系統による機器への振動伝達による外乱の抑制、および屈折率を位相屈折率と群屈折率に分離すること等により、高精度の測定に対応できる測定装置を提供することを目的とする。さらに本発明は、屈折率と厚さを同時に測定する測定装置において、薄い媒質に対しても高精度の測定に対応できることを可能にする測定方法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、低コヒーレンス光を照射する光源と、前記光源の光軸方向に移動可能であって測定対象の媒質を保持する第１ステージと、前記光源と第１ステージとの間の光路に設けたビームスプリッターと、前記光源の光軸と平行に移動可能であって参照光ミラーを備えた第２ステージと、光の検波を行う受光素子とを定盤の上に配し、前記ビームスプリッターを介して前記媒質からの反射光と前記参照光ミラーからの参照光を合波して干渉させる干渉光学系による媒質の測定装置であって、少なくとも前記光源と、第１ステージと、第２ステージと、受光素子に接続された給電用、制御用および信号検出用等の複数のケーブルを、前記定盤の表面においてそのほぼ外郭に沿わせて配線し、全ての前記ケーブルを集束して前記定盤の外郭から外部に繰り出し配線してなる構成としたことを特徴とする。
【００２１】
この構成では、複数のケーブルを定盤の表面において外郭に沿わせることと、この全てのケーブルを集束して定盤から外部に繰り出すことで、配線系統による機器への振動伝達を抑制し、高精度の測定が可能になる。
【００２２】
また本発明は、低コヒーレンス光を照射する光源と、前記光源の光軸方向に移動可能であって測定対象の媒質を保持する第１ステージと、前記光源と第１ステージとの間の光路に設けたビームスプリッターと、前記光源の光軸と平行に移動可能であって参照光ミラーを備えた第２ステージと、光の検波を行う受光素子とを定盤の上に配し、前記ビームスプリッターを介して前記媒質からの反射光と前記参照光ミラーからの参照光を合波して干渉させる干渉光学系による媒質の測定装置であって、前記媒質を２枚の透明板どうしの間にそれぞれ間隙を設けて固定する媒質ホルダーを備えてなる構成としたことを特徴とする。
【００２３】
この構成では、媒質を２枚の透明板どうしの間にそれぞれ間隙を設けて固定する媒質ホルダーを備えることにより、屈折率を位相屈折率と群屈折率に分離することが可能となり、高精度の測定に対応できる。
【００２４】
さらに本発明は、低コヒーレンス光を照射する光源と、前記光源の光軸方向に移動可能であって測定対象の媒質を保持する第１ステージと、前記光源と第１ステージとの間の光路に設けたビームスプリッターと、前記光源の光軸と平行に移動可能であって参照光ミラーを備えた第２ステージと、光の検波を行う受光素子とを定盤の上に配し、前記ビームスプリッターを介して前記媒質からの反射光と前記参照光ミラーからの参照光を合波して干渉させる干渉光学系による媒質の測定方法であって、前記第１ステージおよび前記第２ステージのそれぞれを反復走査し、前記光源側に面した前記媒質の前面と、前記光源側と反対側となる媒質の後面とで、前記受光素子における光の最大干渉信号が得られる座標の収束値を特定し、前記収束値を前記媒質の屈折率および厚さの測定因子とする媒質の測定方法を用いる。
【００２５】
この測定方法では、第１ステージおよび第２ステージを反復走査し、媒質の前面と後面とで最大干渉信号が得られる座標の収束値を特定し、薄い媒質に対しても短時間で高精度の測定を可能にする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、低コヒーレンス光を照射する光源と、前記光源の光軸方向に移動可能であって測定対象の媒質を保持する第１ステージと、前記光源と第１ステージとの間の光路に設けたビームスプリッターと、前記光源の光軸と平行に移動可能であって参照光ミラーを備えた第２ステージと、光の検波を行う受光素子とを定盤の上に配し、前記ビームスプリッターを介して前記媒質からの反射光と前記参照光ミラーからの参照光を合波して干渉させる干渉光学系による媒質の測定装置であって、少なくとも前記光源と、第１ステージと、第２ステージと、受光素子に接続された給電用、制御用および信号検出用等の複数のケーブルを、前記定盤の表面においてそのほぼ外郭に沿わせて配線し、全ての前記ケーブルを集束して前記定盤の外郭から外部に繰り出し配線してなる媒質の測定装置であり、複数のケーブルを定盤の表面において外郭に沿わせることと、この全てのケーブルを集束して定盤から外部に繰り出すことで、この定盤は常に安定した姿勢に保持され、光軸のずれ等を伴うことなく高精度での測定が可能となるという作用を有する。
【００２７】
請求項２に記載の発明は、低コヒーレンス光を照射する光源と、前記光源の光軸方向に移動可能であって測定対象の媒質を保持する第１ステージと、前記光源と第１ステージとの間の光路に設けたビームスプリッターと、前記光源の光軸と平行に移動可能であって参照光ミラーを備えた第２ステージと、光の検波を行う受光素子とを定盤の上に配し、前記ビームスプリッターを介して前記媒質からの反射光と前記参照光ミラーからの参照光を合波して干渉させる干渉光学系による媒質の測定装置であって、前記媒質を２枚の透明板どうしの間にそれぞれ間隙を設けて固定する媒質ホルダーを備えてなる媒質の測定装置であり、媒質を挟む２枚の透明板どうしの間の間隙が空気としての屈折率を有していることを利用して、位相屈折率と厚さのみならず群屈折率を加えた高精度の同時測定も可能にするという作用を有する。
【００２８】
請求項３に記載の発明は、低コヒーレンス光を照射する光源と、前記光源の光軸方向に移動可能であって測定対象の媒質を保持する第１ステージと、前記光源と第１ステージとの間の光路に設けたビームスプリッターと、前記光源の光軸と平行に移動可能であって参照光ミラーを備えた第２ステージと、光の検波を行う受光素子とを定盤の上に配し、前記ビームスプリッターを介して前記媒質からの反射光と前記参照光ミラーからの参照光を合波して干渉させる干渉光学系による媒質の測定方法であって、前記第１ステージおよび前記第２ステージのそれぞれを反復走査し、前記光源側に面した前記媒質の前面と、前記光源側と反対側となる媒質の後面とで、前記受光素子における光の最大干渉信号が得られる座標の収束値を特定し、前記収束値を前記媒質の屈折率および厚さの測定因子とする媒質の測定方法であり、この反復走査で最大干渉信号が得られる座標の収束値を特定することにより、短い測定時間で高い精度の測定値が得られるという作用を有する。
【００２９】
図１は本発明の媒質の測定装置の平面配置を示す模式図であり、定盤１の上に構成要素となる各種機器を模式的に表したものである。
【００３０】
図１の（ａ）において、定盤１の上に、発光素子２，ビームスプリッター３，第１ステージ４，受光素子５，第２ステージ６がそれぞれ配置され、第１ステージ４には測定対象の媒質Ｍを搭載し、第２ステージ６には参照光ミラー７が図４の従来の技術で示した振動子を介して搭載されている。第１ステージ４は図中において発光素子２の光軸方向に移動可能であり、第２ステージ６は光軸と平行な方向に移動可能に設定されている。ここでビームスプリッター３は発光素子２の光軸に調心配置され、この光軸の延長上に第１ステージ４の中心が位置している。そして、受光素子５と第２ステージ６は、光軸に対して左右に離れた位置であって発光素子２とビームスプリッター３との間の中間に配置されている。このような受光素子５と第２ステージ６の位置にビームスプリッター３からの光を導くために、第１ミラー８ａと第２ミラー８ｂを発光素子２の光軸と４５°の交差角度を持たせて配置する。ビームスプリッター３から第２ミラー８ｂを経由しての参照光ミラー７までの光路長は、第１ステージ４上の測定対象の媒質Ｍの前面及び後面での反射光と参照光で干渉させたとき、各々の干渉信号強度が最大になるように設定する。このように第１，第２ミラー８ａ，８ｂを設けて光路を設定することによって、図５の例のようにビームスプリッター３と受光素子５及び参照光ミラー７と直線配列するのに比べると、図において定盤１のＹ方向の寸法を小さくしても、光路長を確保した測定系が得られる。
【００３１】
なお、受光素子５の検出回路は、たとえば図４の従来の技術と同様に操作端末５９に接続されたものとし、この操作端末５９に接続したステージコントローラ６０によって第１，第２ステージ４，６の移動を制御する。
【００３２】
また図１の（ｂ）の例は、受光素子５と第２ステージ６とを第１ステージ４側に配置したもので、第１，第２ミラー８ａ，８ｂの姿勢を変えた例である。また図１の（ｃ）の例は、この図１の（ｂ）の例において発光素子２を受光素子５とビームスプリッター３との間に位置させ、第３ミラー８ｃと第４ミラー８ｄとによって発光素子２からビームスプリッター４までの光路を形成したものである。これらの機器の平面レイアウトにおいては、いずれも図１の（ａ）と同様に、低コヒーレンス光を照射する光源と、この光源の光軸方向に移動可能であって測定対象の媒質を保持する第１ステージと、この光源と第１ステージとの間の光路に設けたビームスプリッターと、この光軸と平行に移動可能であって参照光ミラーを備えた第２ステージと、光の検波を行う受光素子とを定盤の上に配し、ビームスプリッターを介して媒質からの反射光と参照光ミラーからの参照光を合波して干渉させる干渉光学系による媒質の測定装置となっている。
【００３３】
図２は本発明の媒質の測定装置の具体的な構成を示す平面図である。この図２の例は、図１の（ａ）に示した機器のレイアウトに対応するものである。図２に示すように、定盤１の上に発光素子２，ビームスプリッター３，第１ステージ４，受光素子５，第２ステージ６がそれぞれ配置されている。これらの各機器の配置の位置関係は図１の（ａ）で説明したとおりであり、第２ステージ６には振動子６ａを固定してこの振動子６ａに参照光ミラー７を連結している。光路中には第１ミラー８ａ及び第２ミラー８ｂを配置するとともに、発光素子２からの低コヒーレンス光をコリメートするコリメートレンズ９ａ，ビームスプリッター３からの光を測定対象Ｍに集光させる集光レンズ９ｂ，受光素子５への反射光を集光させる反射光集光レンズ９ｃをそれぞれ備える。なお、図示の例は、定盤１上の全ての光学系についてのプレアラインメントの操作に使用するＨｅ−Ｎｅレーザーを用いたレーザー照射装置１０も付帯したもので、第２ステージ４側から光軸に臨ませるための光路を形成する２枚のミラー１０ａ，１０ｂを所定の位置に設けている。
【００３４】
図２において、定盤１の上に配置する機器のなかで、第１，第２ステージ４，６，発光素子２，受光素子５及びレーザー照射装置１０には給電及び制御用のケーブル１１が接続される。これらのケーブル１１は、たとえば図４の従来の技術で示した操作端末に接続され、給電と制御信号のやり取りをする。また、定盤１上で走査のために移動する第１，第２ステージ４，６にはそれぞれ第１増幅器１２ａ及び第１増幅器１２ｂを接続し、これらの第１，第２増幅機１２ａ，１２ｂにも同様にケーブル１１を接続する。更に、第２ステージ６に設けた振動子６ａにも独自にケーブル１１を接続する。ここで、定盤１は剛性を高くしたもので、その下面には防震ベースを一体に設けて設置面に定盤１の表面が水平姿勢となるように据え付けられる。この防震ベースには空気圧を用いたもの等がある。
【００３５】
これらの各機器に接続されたケーブル１１は合計１０本であり、図２から明らかなように、いずれも定盤１の外郭に沿って配線され、第１，第２増幅器１２ａ，１２ｂとの間から外に繰り出されている。すなわち、１０本のケーブル１１は全て一つの束となるようにまとめて定盤１の外郭から外に引き出された配線であり、もしこれらのケーブル１１に外力が作用しても、この束になった部分からのみ定盤１側に振動が伝わるだけである。このように、定盤１上の各機器からのケーブル１１を分散して外に配線するのに代えて、一つの束になるようにまとめて定盤１の外郭から外に繰り出すことによって、外力による定盤１への振動の伝達を抑えることができる。したがって、光学系による測定対象の媒質Ｍに対する干渉法を利用した測定の最中でも定盤１は常に安定した姿勢に保持され、光軸のずれ等を伴うことなく高精度での測定が可能となる。
【００３６】
ここで、測定対象の媒質Ｍの厚さが１００μｍ以下等の薄い場合では、媒質Ｍの前面及び後面の干渉信号の最大値を検出する場合、第１，第２ステージ４，６の走査ステップを小さくすることが必要であることは既に述べた。これに対して本発明においては、高精度の測定と短時間の走査の両面の改善のため、初期の段階では粗い走査ステップで第１，第２ステージ４，６のそれぞれを走査し、媒質Ｍの前面及び後面における干渉信号強度の概略のピーク座標をまず予め検出する。そして、この検出の後に、概略のピーク座標付近を第１，第２ステージ４，６を細かいステップで走査することによって、干渉信号の最大値が得られる座標を決定する。また、厚さ１０μｍオーダーの媒質の場合には、参照光ミラー側の光路（参照光アーム）と媒質側の光路（信号光アーム）の波長分散のバランスをとり（分散補償）、媒質前面と後面からの反射光の干渉を極力抑制して、干渉信号強度を検出する必要がある。以下、本発明の反復走査による測定方法について具体的に説明する。
【００３７】
（１）第１ステージ４を媒質Ｍの前面で最大干渉強度が得られる位置（概略座標ｚＦ１）まで移動させる。この後、第２ステージ６を測定対象Ｍの前面で最大の干渉強度が得られた位置（概略座標ＬＦ１）を中心に±２μｍの領域で０．１μｍのステップで走査させ、干渉信号強度を取り込む。この取り込んだデータから、概略座標ｚＦ１に対して最大干渉信号強度が得られた座標ＬＦ２を決定する。
【００３８】
（２）第１ステージ４を測定対象Ｍの後面で最大干渉強度が得られる位置（概略座標ｚＲ１）まで移動させる。この後、第２ステージ６を測定対象Ｍの後面で最大の干渉強度が得られた位置（概略座標ＬＲ１）を中心に±２μｍの領域で０．１μｍのステップで走査させ、干渉信号強度を取り込む。この取り込んだデータから、概略座標ｚＲ１に対して最大干渉信号強度が得られた座標ＬＲ２を決定する。
【００３９】
以上の（１），（２）により、１回目の第２ステージ６の走査が完了する。
（３）第２ステージ６を（１）の走査で最大の干渉強度が得られた前面位置（座標ＬＦ２）まで移動させる。この後、第１ステージ４を測定対象Ｍの前面で最大の干渉強度が得られた位置（概略座標ｚＦ１）を中心に±２μｍの領域で０．１μｍのステップで走査させ、干渉信号強度を取り込む。この取り込んだデータから、概略座標ＬＦ２に対して最大干渉信号強度が得られた座標ｚＦ２を決定する。
【００４０】
（４）第２ステージ６を（２）の走査で最大の干渉強度が得られた後面位置（座標ＬＲ２）まで移動させる。この後、第１ステージ４を測定対象Ｍの後面で最大の干渉強度が得られた位置（概略座標ｚＲ１）を中心に±２μｍの領域で０．１μｍのステップで走査させ、干渉信号強度を取り込む。この取り込んだデータから、概略座標ＬＦ２に対して最大干渉信号強度が得られた座標ｚＲ２を決定する。
【００４１】
以上の（３），（４）により１回目の第１ステージ４の走査が完了する。
（５）第１ステージ４を（３）の走査で最大の干渉強度が得られた前面位置（座標ｚＦ２）まで移動させる。この後、第２ステージ６を（１）の走査で最大の干渉強度が得られた前面位置（座標ＬＦ２）を中心に±２μｍの領域で０．１μｍのステップで走査させ、干渉信号強度を取り込む。この取り込んだデータから、座標ｚＦ２に対して最大干渉信号強度が得られた座標ＬＦ３を決定する。
【００４２】
（６）第１ステージ４を（４）の走査で最大の干渉強度が得られた後面位置（座標ｚＲ２）まで移動させる。この後、第２ステージ６を（２）の走査で最大の干渉強度が得られた後面位置（座標ＬＲ２）を中心に±２μｍの領域で０．１μｍのステップで走査させ、干渉信号強度を取り込む。この取り込んだデータから、座標ｚＲ２に対して最大干渉信号強度が得られた座標ＬＲ３を決定する。
【００４３】
以上の（５），（６）により２回目の第２ステージ６の走査が完了する。
（７）第２ステージ４を（５）の走査で最大の干渉強度が得られた前面位置（座標ＬＦ３）まで移動させる。この後、（３）の走査で最大の干渉強度が得られた前面位置（座標ｚＦ２）を中心に±２μｍの領域で０．１μｍのステップで走査させ、干渉信号強度を取り込む。この取り込んだデータから、概略座標ＬＦ３に対して最大干渉信号強度が得られた座標ｚＦ３を決定する。
【００４４】
（８）第２ステージ６を（６）の走査で最大の干渉強度が得られた後面位置（座標ＬＲ３）まで移動させる。この後、第２ステージ６を（２）の走査で最大の干渉強度が得られた後面位置（座標ｚＲ２）を中心に±２μｍの領域で０．１μｍのステップで走査させ、干渉信号強度を取り込む。この取り込んだデータから、概略座標ＬＲ３に対して最大干渉信号強度が得られた座標ｚＲ３を決定する。
【００４５】
以上の（７），（８）により２回目の第１ステージ４の走査が完了する。
このような（１）〜（８）の第１，第２ステージ４，６のそれぞれの走査を繰り返すことにより、最大干渉信号が得られる測定対象Ｍの前面及び後面の座標を絞りこんでいく。たとえば、測定対象Ｍが２０μｍ程度の厚さであれば、１０回程度の反復動作による走査を繰り返すと、第１ステージ４と第２ステージ６の測定対象の媒質Ｍの前面及び後面に対する座標が収束していく。そして、この収束した座標値を用いて媒質Ｍの前面及び後面における第１ステージ４の移動量ｚと第２ステージ６の移動量ΔＬを特定する。
【００４６】
（表１）は５０μｍの溶融石英板を測定対象として実際に走査したときの測定例である。このようにして特定したｚとΔＬは高精度な値となり、前述した（数１）、（数２）および（数３）を用いて算出することにより、媒質の厚さと位相屈折率の高精度な測定が可能になっている。
【００４７】
【表１】
図３は本発明の媒質の測定装置における媒質近傍を示す断面図であり、測定対象の媒質とこれを間隙を有して挟み込むホルダーの側面図となっている。このホルダーは、平行に配置された２枚の透明板１７ａおよび１７ｂの間に空気層を設けて媒質Ｍを挟持できる構造となっており、集光レンズ９ｂからの光が透明板１７ａ側から入射する。透明板１７ａおよび１７ｂの空隙ｔ0は使用する集光レンズ９ｂの焦点距離によって任意に決定することができる。
【００４９】
測定に際しては、透明板１７ａおよび１７ｂからなるホルダーの空隙ｔ0に媒質Ｍを挿入して挟持固定すると、透明板１７ａおよび１７ｂと媒質Ｍの間に、厚さｔ1およびｔ2の空気層ができる。ここで、透明板１７ａの後面１８，媒質Ｍの前後面位置１９，２０および透明板１７ｂの前面２１の４面において、各々、ｚとΔＬを決定する。透明板１７ａの後面１８と媒質Ｍの前面位置１９および媒質Ｍの後面位置２０と透明板１７ｂの前面２１の間は空気層であり、位相屈折率ｎ＝群屈折率ｎ’＝１であるので、透明板１７ａの後面１８と媒質Ｍの前面位置１９および媒質Ｍの後面位置２０と透明板１７ｂの前面２１の間で測定される各々のｚは、ｔ1，ｔ2となり、ΔＬは０となる。従って、前記した４面（１８，１９，２０，２１）の各々の測定によって、透明板１７ａの後面１８と媒質Ｍの前面位置１９の空気層ｔ1、媒質Ｍの前後面位置１９，２０におけるｚとΔＬ、および媒質Ｍの後面位置２０と透明板１７ｂの前面２１の空気層ｔ2が得られる。ここで、透明板１７ａの後面１８と透明板１７ｂの前面２１の間隔ｔ0は、前もって測定しておけば既知であるので、下記（数４）により、媒質の厚さｔが求められる。
【００５０】
【数４】
このようにｔが測定できるので、下記（数５）および（数６）を用いて位相屈折率ｎおよび群屈折率ｎ’を求めることができる。
【００５２】
【数５】
【数６】
この場合の一例として、測定対象の媒質Ｍに、厚みが９９７μmで位相屈折率ｎが１．７５８９および群屈折率ｎ’が１．７７９３のサファイヤ板を用いた結果を示す。図３において、集光レンズ９ｂの較正された開口数を０．１４０、また透明板１７ａおよび透明板１７ｂ間の空隙ｔ0を２２９２μmとして、媒質Ｍであるサファイヤ板をこの空隙間に挿入した。集光レンズ９ｂ側の透明板１７ａの後面１８と、媒質Ｍの前面位置１９の間の測定によって、空隙の屈折率が１であるため、上記ΔＬが０となる時の上記ｚは、空隙の長さｔ1に等しく１１０５μmの値を得た。同様に透明板１７ｂの前面２１と、媒質Ｍの後面位置２０の間の測定によって、上記ΔＬが０となる時の上記ｚは、空隙の長さｔ2に等しく１８８μmの値を得た。これを基に（数４）より、媒質Ｍであるサファイヤ板の厚みの測定値として９９９μmが得られ、これは上記のサファイヤ板の厚みである９９７μmに対して０．２％のずれしかなく、高精度の測定となっている。ここで、媒質Ｍの前面位置１９および媒質Ｍの後面位置２０の間の測定によって、上記ｚとして５６５μmおよび上記ΔＬとして１２１０μmが得られ、これらを基に（数５）および（数６）により、位相屈折率ｎで１．７５６３および群屈折率ｎ’で１．７７６８の測定値が得られた。これらの測定値は上記のサファイヤ板の位相屈折率および群屈折率に対して、０．２％および０．１％のずれしかなく、非常に高精度な測定結果が得られていることがわかる。
【００５５】
以上のように、媒質Ｍを固定するホルダーとして、媒質Ｍを２枚の透明板１７ａ，１７ｂどうしの間に間隙を設けて挟持できる媒質ホルダーを用いることにより、媒質Ｍの厚さおよび屈折率を位相屈折率と群屈折率に分離して測定することができる。
【００５６】
なお、本方法によれば、媒質Ｍの厚さｔを特定できるため、先に述べた反復走査と併用することにより、コヒーレンス長と同等な厚さの薄板、薄膜媒質の測定を行うことも可能である。
【００５７】
【発明の効果】
本請求項１に記載の媒質の測定装置によれば、機器のケーブルをまとめて束のようにしてテーブルから繰り出すことによりテーブルに対する振動の伝達が抑えられるので、測定精度が向上する。
【００５８】
また本請求項２に記載の媒質の測定装置によれば、測定対象の媒質を固定するホルダーとして、媒質を２枚の透明板に間隙を設けて挟持できる媒質ホルダーを用いることにより、媒質の厚さおよび屈折率を位相屈折率と群屈折率に分離した高精度な測定を行うことができる。
【００５９】
また、本請求項３に記載の媒質の測定方法によれば、薄い媒質であっても、媒質のステージ及び参照光ミラーのステージの走査を細かくして短時間で高精度の測定ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の媒質の測定装置の平面配置を示す模式図
【図２】本発明の媒質の測定装置の具体的な構造を示す平面図
【図３】本発明の媒質の測定装置における媒質近傍を示す断面図
【図４】従来の測定装置の全体の概略図
【図５】従来の測定装置における平面配置を示す模式図
【符号の説明】
１ 定盤
２ 発光素子
３ ビームスプリッター
４ 第１ステージ
５ 受光素子
６ 第２ステージ
６ａ 振動子
７ 参照光ミラー
８ａ 第１ミラー
８ｂ 第２ミラー
８ｃ 第３ミラー
８ｄ 第４ミラー
９ａ コリメートレンズ
９ｂ 集光レンズ
９ｃ 反射光集光レンズ
１０ レーザー照射装置
１０ａ，１０ｂ ミラー
１１ ケーブル
１２ａ 第１増幅器
１２ｂ 第２増幅器
１７ａ，１７ｂ 透明板
１８ 透明板１７ａの後面
１９ 媒質Ｍの前面位置
２０ 媒質Ｍの後面位置
２１ 透明板１７ｂの前面
Claims (3)
- 低コヒーレンス光を照射する光源と、前記光源の光軸方向に移動可能であって測定対象の媒質を保持する第１ステージと、前記光源と第１ステージとの間の光路に設けたビームスプリッターと、前記光源の光軸と平行に移動可能であって参照光ミラーを備えた第２ステージと、光の検波を行う受光素子とを定盤の上に配し、前記ビームスプリッターを介して前記媒質からの反射光と前記参照光ミラーからの参照光を合波して干渉させる干渉光学系による媒質の測定装置であって、
少なくとも前記光源と、第１ステージと、第２ステージと、受光素子に接続された給電用、制御用および信号検出用等の複数のケーブルを、前記定盤の表面においてそのほぼ外郭に沿わせて配線し、全ての前記ケーブルを集束して前記定盤の外郭から外部に繰り出し配線してなる構成を特徴とした媒質の測定装置。 - 低コヒーレンス光を照射する光源と、前記光源の光軸方向に移動可能であって測定対象の媒質を保持する第１ステージと、前記光源と第１ステージとの間の光路に設けたビームスプリッターと、前記光源の光軸と平行に移動可能であって参照光ミラーを備えた第２ステージと、光の検波を行う受光素子とを定盤の上に配し、前記ビームスプリッターを介して前記媒質からの反射光と前記参照光ミラーからの参照光を合波して干渉させる干渉光学系による媒質の測定装置であって、
前記媒質を２枚の透明板どうしの間にそれぞれ間隙を設けて固定する媒質ホルダーを備えてなることを特徴とした媒質の測定装置。 - 低コヒーレンス光を照射する光源と、前記光源の光軸方向に移動可能であって測定対象の媒質を保持する第１ステージと、前記光源と第１ステージとの間の光路に設けたビームスプリッターと、前記光源の光軸と平行に移動可能であって参照光ミラーを備えた第２ステージと、光の検波を行う受光素子とを定盤の上に配し、前記ビームスプリッターを介して前記媒質からの反射光と前記参照光ミラーからの参照光を合波して干渉させる干渉光学系による媒質の測定方法であって、
前記第１ステージおよび前記第２ステージのそれぞれを反復走査し、前記光源側に面した前記媒質の前面と、前記光源側と反対側となる媒質の後面とで、前記受光素子における光の最大干渉信号が得られる座標の収束値を特定し、前記収束値を前記媒質の屈折率および厚さの測定因子とすることを特徴とした媒質の測定方法。
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