JPH09127065A

JPH09127065A - 吸収特性測定方法およびそのための装置

Info

Publication number: JPH09127065A
Application number: JP7280693A
Authority: JP
Inventors: Satoru Oshikawa; 識押川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-10-27
Filing date: 1995-10-27
Publication date: 1997-05-16

Abstract

(57)【要約】【課題】物体の吸収特性を直接測定するための方法であ
って、ルーチンワークに適し、再現性良く精密な測定が
できる方法を提供する。【解決手段】被測定物に光を照射し、被測定物に吸収さ
れた光が無輻射遷移で熱に変換されるときまたは熱に変
換された後に発生する弾性波のうちの表面波を探針によ
って検出することにより、被測定物の光吸収特性を測定
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学材料や光学薄
膜の光学特性のうちの光吸収量を測定するための装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の吸収量を測定する方法としては、
測定対象にある波長の光を照射し、透過率および反射率
を分光光度計を用いて測定する方法がある。そして、透
過率および反射率から透過光量および反射光量を求め、
照射した光量から透過光量と反射光量とを差し引くこと
により、損失量を求め、この損失量を吸収量と散乱量と
の和として評価する。特に、吸収量のみを評価する場合
は、散乱測定機で散乱量を測定し、損失量から散乱量を
引くことにより、吸収量のみを求めることができる。

【０００３】このように、従来の方法で求められる吸収
量は、直接測定されたものではない。また、測定精度
は、透過率および反射率を測定する分光光度計の精度に
左右され、精密な評価は不可能である。さらに、最近で
は、光学材料および光学薄膜の開発が進み、損失量が０
に近い材料の吸収量を精度よく測定することが望まれて
いる。そのため、吸収量を単独で直接精密に測定するす
ることが要求されている。

【０００４】吸収量を単独で測定しようとする試みは各
所で行われている。たとえば、・吸収したエネルギーが熱に変換されることを利用し
て、温度変化を精密測定して吸収量に換算する方法（カ
ロリーメトリ法）、・吸収したエネルギーが熱に変換され、その熱による屈
折率変化や形状変化を測定し、吸収量に換算する方法
（フォトデフラクション法）、・吸収したエネルギーが熱に変換されその熱によって被
測定物に生じる弾性波を測定し、吸収量に換算する方法
（光音響法）が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したカロリーメト
リ法は、被測定物に測定光以外の熱による温度変化が生
じるのを防ぐために、断熱の必要性があり、さらに、温
度測定を厳密に行う必要もある。そのため、測定の動作
が複雑であり、ルーチンワークでの測定には向かない。

【０００６】フォトデフラクション法は、光吸収による
熱によって生じる屈折率変化や形状変化が、通常あまり
大きくないため、感度よく測定するのが困難である。そ
の上、被測定物の熱による屈折率変化や形状変化の物性
が詳しく判っていないと、測定および換算が困難であ
り、全ての光学材料及び薄膜に用いることができる方法
ではない。

【０００７】光音響法は、弾性波の振動を測定するため
に、被測定物に取り付けたピエゾ素子やマイクで検知す
る方法が用いられている。マイクの場合は外乱からの影
響を取り除かねばならず、カロリーメトリ法と同様にル
ーチンワークでの測定には向かない。ピエゾ素子の場合
は、被測定物とピエゾ素子との位置関係やマッチング
（固定方法）を一定にするのが難しく再現性がでにく
い。

【０００８】本発明は、従来技術の以上のような問題点
を解決するもので、物体の吸収特性を直接測定するため
の装置であって、ルーチンワークに適し、再現性良く精
密な測定ができる装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、光学材料およ
び光学薄膜の吸収特性を直接測定するために、比較的ル
ーチンワークに向いていると考えられる光音響法を用い
ることとした。さらに従来は被測定物の内部を伝達する
弾性波をピエゾ素子で検知していたが上記問題点がある
ため、被測定物表面を伝達する表面波を、例えばＡＦＭ
カンチレバーの様な探針で検知することとした。

【００１０】具体的には、上記目的を達成するために本
発明によれば、被測定物を支持する手段と、前記被測定
物に光を照射するための光源と、前記被測定物の表面の
変位を検出するための検出手段とを有し、前記検出手段
は、前記被測定物の表面に接触させるための探針と、前
記探針の変位を検出するため探針変位検出部とを有する
ことを特徴とする光吸収特性測定装置が提供される。

【００１１】このように、本発明では、探針で表面波の
振動を直接検出することができるため、再現性良く測定
ができるようになった。探針には、例えば、針状部とレ
バーとを備えるＡＦＭ用カンチレバーを用い、そのレバ
ーの一部を圧電材料で構成することにより、レバーのた
わみの変化量を電気信号に変えるものを用いることがで
きる。得られた電気信号をそのまま、もしくは、ＦＦＴ
変換（高速フーリエ変換）するなど処理を施し、ピーク
値や特定周波数の電圧値等を得て、これを吸収量に換算
して評価を行う。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の一実施の形態について説明する。

【００１３】（実施の形態１）図２を用いて、本実施の
形態の光吸収特性測定器の構成について説明する。

【００１４】図２のように、光軸４０上には、光源２
２、波長選択機構２３、光量調節光学系２４、アパーチ
ャ２８、ビームスプリッタ２５、および、ビームストッ
パ２９が順に配置されている。また、ビームスプリッタ
２５とビームストッパ２９との間の光軸４０上に被測定
物２７を配置するために、支持台４１が配置されてい
る。ビームスプリッタ２５で分岐された光軸上には、光
量モニタ２６が配置されている。

【００１５】また、探針５０が支持機構１５によって支
持される。支持機構１５は、探針５０を微細に移動させ
て被測定物２７の表面に接触させるために、探針５０を
支持する治具の部分にピエゾ素子が取り付けられてい
る。

【００１６】探針５０は、図３（ａ）、（ｂ）に示すよ
うに、一端に針状部４２が形成されたカンチレバー１３
と、カンチレバー１３の他端を片持ち支持する支持部４
４とを備えて構成されている。カンチレバー１３の上面
の一部には、ＰＺＴセラミックの薄膜１４が取り付けら
れている。カンチレバー１３および薄膜１４は、針状部
４２に変位が加えられると一体となって撓みを生じるよ
うな厚さに形成されている。具体的には、カンチレバー
１３の材質は、ＳｉまたはＳｉ₃N₄であり、その厚さ
は、２０μｍである。また、ＰＺＴセラミック薄膜１４
の厚さは、１μｍである。

【００１７】支持部４４の上には、薄膜１４の電圧を検
出するために、薄膜１４に電気的に接触した配線層４５
が配置されている。

【００１８】これらの探針５０の構成は、薄膜成長とリ
ソグラフィの技術により構成されたものである。このよ
うな探針５０は、原子間力顕微鏡用のプローブの一種と
同じ構成であるので、探針５０として、原子間力顕微鏡
用プローブを用いることもできる。

【００１９】探針５０の配線層４５からリード線４６が
引き出され、オシロスコープ３０に接続されている。オ
シロスコープ３０には、演算装置３１が接続されてい
る。

【００２０】光源２２としては、ランプやＣＷレーザや
パルスレーザを用いる。ランプの場合は、波長選択機構
２３として干渉フィルタやグレーティングを用いて単色
光にする必要があるが、光源２２がレーザである場合に
は、波長選択機構２３を省略することができる。また、
光の強度が強いほうがＰＺＴセラミック薄膜１４からの
信号が強く得られ、分解能が上がるので、光量は被測定
物２７を破壊しない程度に強い方が望ましい。

【００２１】次に、図２の光吸収特性測定器の動作につ
いて説明する。

【００２２】まず、被測定物２７を図２のように配置
し、探針５０の針状部４２の先端が、被測定物２７の表
面に点接触するように、支持機構１５で探針５０を移動
させその位置で停止させておく。そして、光源２２から
光を出射させる。

【００２３】光源２２から発せられた光は、波長選択機
構２３で単色光となり、光量調節光学系２４により、予
め定めた光量に減光され、さらに、アパーチャ２８で被
測定物２７に照射しやすい大きさに成型され、被測定物
２７に照射される。同時にビームスプリッタ２５により
光量の一部が光量モニタ２６に入射し、光量が測定され
る。

【００２４】被測定物２７に入射した光は、透過および
反射し、一部は散乱および吸収される。図１に、透過光
１８、反射光１７、散乱光１９を矢印で示す。吸収され
た光のほとんどは、被測定物２７の内部で熱に変換され
る。熱に変換されると同時にまたは熱に変換された後に
弾性波が発生する。弾性波は、被測定物２７の内部を伝
達するもの内部波２０と、被測定物２７の表面を伝達す
る表面波２１とにわかれる。

【００２５】この表面波２１による被測定物１２表面の
変位は、被測定物表面に点接触された探針５０の針状部
４２を変位させる。これにより、探針５０のカンチレバ
ー１３およびＰＺＴセラミック薄膜１４が表面波２１と
同期して振動し、撓む。その撓みによってＰＺＴセラミ
ック薄膜１４に生じる電圧変化は、電圧信号として配線
層４５およびリード線４６を介してオシロスコープ３０
に入力され、検出される。演算装置３１は、オシロスコ
ープ３０が検出した信号の特徴を抽出するとともに、光
量モニタ２６から測定結果を取り込み、被測定物１２に
照射された光量を演算する。そして、抽出した信号の特
徴と、吸収率の知られている基準試料について予め測定
しておいた信号の特徴とを比較することにより、吸収量
や吸収率を求める。信号の特徴としては、信号の最大振
幅や、検出信号をＦＦＴ変換することにより得た特定の
周波数の振幅等を用いることができる。

【００２６】（実施の形態２）本発明の別の実施の形態
としては、実施の形態１の吸収特性測定器の探針５０の
カンチレバー１３の変位を検出するために、光源２２と
は別の光源からカンチレバー１３に光を照射し、反射光
を位置センサで受光する構成にすることができる。位置
センサに入射する反射光の位置は、カンチレバー１３の
変位によって変化するので、この受光位置の変化を検出
することにより、カンチレバーの変位量を検出すること
ができる。この構成の場合には、カンチレバー１３の上
にＰＺＴセラミック薄膜１４を設ける必要はない。

【００２７】上述の実施の形態により、弾性波の表面波
による被測定物の変位を針状部に直接伝達できるため、
表面波を直接測定することができる。また、表面波によ
る針状部の変位がカンチレバーの変位として検出でき
る。したがって、カンチレバーにＰＺＴセラミック薄膜
を予め取り付けておいたり、光学的な方法等を用いて高
精度にしかも容易に表面波による変位を検出することが
できる。よって、従来のように試料に圧電素子をとりつ
ける必要がなく、圧電素子の取り付け方の微妙な差によ
って生じる誤差を取り除くことができる。散乱光の影響
も受けにくい。これらにより、再現性のよい測定を、簡
単な動作で、精度良く行うことができる。

【００２８】上述の実施の形態では、探針５０として、
針状部４２の変位によって撓みの生じるプレート状のカ
ンチレバー１３を有するものを用い、カンチレバー１３
の撓み量を検出する構成であったが、針状部４２の変位
が検出できる他の構成を用いることも可能である。

【００２９】

【実施例】次に、図１、図２に示した光吸収特性測定器
を用いた測定例を示す。

【００３０】光源２２は、パルス発振するＫｒＦエキシ
マレーザを使用した。波長は２４８ｎｍパルス幅４０ｎ
Ｓｅｃである。被測定物２７は、Φ３０ｍｍｔ３ｍｍの
合成石英硝子基板１１上に測定すべき薄膜を片面成膜し
たものを使用した。本実施例では、測定すべき薄膜とし
て、反射防止膜として知られるＨｆＯ₂膜や、Ａｌ₂Ｏ₃
膜や、ＭｇＦ₂膜を用いた。

【００３１】また、吸収量や吸収率の補正・校正をする
ための基準試料として、比較的吸収量の多いＺｒＯ₂膜
を基板１１上に成膜したものを用いた。ＺｒＯ₂膜は、
比較的吸収量が多いため、精度の良い分光光度計を用い
れば吸収量を測定することができる。そこで、基準試料
の吸収係数を予め分光光度計で測定しておく。また、図
２の光吸収特性測定器を用いて、以下に述べる被測定物
と同じ方法で基準試料について、予め測定を行ってお
く。

【００３２】図２の光吸収特性測定器を用いた本実施例
の測定方法について説明する。

【００３３】被測定物２７を支持台４１上に固定する。
支持機構１５を駆動させて探針５０を被測定物に接触さ
せる（図４のステップ１４１）。そして、光源２２から
レーザ光を１パルスだけ被測定物２７に照射し（ステッ
プ１４２）、その時のＰＺＴ薄膜１４の出力信号をオシ
ロスコープ３０で取得する（ステップ１４４）。オシロ
スコープ３０で得られた信号の一例を図６に示す。演算
装置３１は、オシロスコープ３０が取得した信号の振幅
の最大値を得るとともに、取得した信号をＦＦＴ変換
し、特定の周波数の振幅値を得る（ステップ１４４）。
また、光量モニタ２６の信号から被測定物２７に照射さ
れた光量を表す信号を得る（ステップ１４４）。

【００３４】つぎに、光源２２または光量調節光学系２
４を調節することにより、被測定物２７に照射される光
量が予め定めた量だけ増加するように設定する（ステッ
プ１４８）。そして、再びステップ１４２〜１４４の測
定を行う。この動作を被測定物２７の膜が破壊されるま
で、または、予め定めた回数に達するまで繰り返す。そ
して、演算装置３１は、ステップ１４４で得た照射光量
と振幅値との関係を図７のようにプロットし、得られた
直線または曲線の傾斜を求める。もし、精度のよい直線
や曲線が描けるデータ数が得られる前に、膜が破壊され
てしまった場合には、ステップ１５０でサンプルを移動
させて、光の照射位置を変えた上で、十分なデータ数が
得られるまで再び測定を行う。

【００３５】ここで信号の振幅は、表面波の振幅に比例
し、表面波の振幅は、吸収量に比例するので、プロット
した光量と振幅ピーク値との関係を表す直線の傾きが、
基準試料の吸収率を表す。

【００３６】図７に、生信号の最大振幅値と照射光量と
の関係の一例を示す。図７からわかるように、最大振幅
値と照射光量との関係には直線性が得られている。この
被測定物２７について得られた図７の直線の傾きを、基
準試料について同方法で予め求めて傾きと比較し、比を
求め、この比に、分光光度計で予め求めておいた基準試
料の吸収率を掛けることにより、被測定物の２４８ｎｍ
での吸収係数は０．２１％が得られた。

【００３７】次に、測定の安定性・再現性を調査するた
めに、図７で示した被測定物を成膜する際にいっしょに
成膜した同ロットの被測定物について同様に測定を行
い、吸収率を求めた。その結果を図５に示す。図５よ
り、４つの同ロットの被測定物で、ほぼ等しい値が得ら
れており、しかもこの値が従来の光学的手法で測定した
損失率と矛盾しないことから、安定性・再現性は十分な
精度があることが判る。

【００３８】図７には、ＰＺＴセラミック薄膜１４から
得られた生信号の最大振幅と、照射光量との関係を示し
たが、生信号をＦＦＴ変換した特定周波数の振幅につい
ても、図７のようにプロットし、傾きを求め、基準試料
について同様に求めた傾きと比較することにより、吸収
係数を求めることができる。

【００３９】薄膜の吸収係数を求める場合には、測定す
べき薄膜が形成されている基板の材質や形状は、得られ
る信号に影響を与えるため、基準試料の基板の材質や形
状を被測定物の基板の材質や形状に一致させることによ
り、精度のよい測定を行うことができる。また、本実施
例の吸収特性測定器を用いて、バルク形状の被測定物の
吸収係数について測定を行うことももちろん可能であ
る。この場合、基準試料も被測定物と同形状のものを用
いることが望ましい。また、ミラーやハーフミラー等の
光学部品を被測定物にすることももちろん可能である。

【００４０】また、照射光の波長も、上述の波長に限ら
ず、任意の波長の光を用いることができる。

【００４１】また、上述の実施例においては、オシロス
コープ３０で取得された生信号の最大振幅と、生信号を
ＦＦＴ変換した後の特定周波数の振幅とを用いたが、本
発明はこれらに限定されるものではない。例えば、生信
号の減衰特性や生信号の周波数分布等の信号の特徴のう
ち、測定精度及び再現性の得られるものを実験によって
探索してもちいることもできる。

【００４２】以上のように、本実施例によれば、ＰＺＴ
セラミック薄膜を成膜したカンチレバーを備えた探針に
より、表面波を直接的に検知することができるため、吸
収率や吸収量を再現性良く精密に測定できる。また、探
針を被測定物表面に接触させ、光を照射し、信号を処理
する動作で測定できるため、測定動作が単純であり、簡
便に測定することができる。また、従来の一般的なピエ
ゾ素子を使用する方法のように、吸収による弾性波と同
時に発生する散乱光の影響やマッチング（ピエゾ素子の
固定方法）による不安定性等の問題点も解決でき、表面
波のみを測定することができる。

【００４３】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、物体の
光吸収による表面波を直接検出することにより、吸収特
性を直接、かつ、高精度に、しかも再現よく精密な測定
を行うことができる。また、測定のための動作が単純で
あるため、ルーチンワークにも適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の光吸収特性測定装置の
被測定物と探針との位置関係と光の反射透過吸収を示す
説明図。

【図２】図１の測定装置の全体の構成を示すブロック
図。

【図３】図２の測定装置で用いる探針の構成を示す
（ａ）下面図、（ｂ）断面図。

【図４】図２の測定装置を用いて吸収率を求める動作を
示すフローチャート。

【図５】図２の測定装置で得られた吸収率を示す説明
図。

【図６】図２の測定装置でオシロスコープの取得した生
信号を示すグラフ。

【図７】図２の測定装置で演算装置が作成した信号の最
大振幅と、照射光量との関係を表すグラフ。

【符号の説明】

１１基板（被測定物）１２薄膜（被測定物）１３カンチレバー１４ＰＺＴセラミック薄膜１５支持機構１６照射光１７反射光１８透過光１９散乱光２０弾性波（内部）２１表面波２２光源２３波長選択機構２４光量調節光学系２５ビームスプリッタ２６光量モニタ２７被測定物２８アパーチャ２９ビームストッパ３０オシロスコープ３１演算装置４０光軸４１支持台４２針状部４４支持部４５配線層４６リード線５０探針

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体の光吸収特性を測定する方法であっ
て、被測定物に光を照射し、光が被測定物に吸収されて発生
する弾性波のうちの表面波を検出することにより、被測
定物の光吸収特性を測定することを特徴とする光吸収特
性測定方法。
【請求項２】請求項１において、前記被測定物の表面の
変位を測定することにより、前記表面波を検出すること
を特徴とする光吸収特性測定方法。
【請求項３】請求項２において、前記被測定物の表面の
変位を測定するために、前記物体の表面に探針を接触さ
せ、前記探針の変位を検出することを特徴とする光吸収
特性測定方法。
【請求項４】請求項２において、前記被測定物の表面の
変位として、振幅を測定することを特徴とする光吸収特
性測定方法。
【請求項５】請求項４において、前記被測定物に予め定
めた光量を照射し、前記表面波の振幅を測定し、前記光
量を照射したときの光の吸収量が知られている基準試料
について、前記光量を照射して予め測定された前記振幅
と、前記被測定物の振幅とを比較することにより、前記
被測定物の光の吸収量を求めることを特徴とする光吸収
特性測定方法。
【請求項６】請求項４において、前記被測定物に照射す
る光量を変化させながら、前記表面波の振幅の変化を測
定し、前記照射光量の変化に対する前記振幅の変化量を
求め、光の吸収率の知られている基準試料について予め
測定された前記変化量と、前期被測定物の変化量とを比
較することにより、前記被測定物の光の吸収率を求める
ことを特徴とする光吸収特性測定方法。
【請求項７】被測定物を支持する手段と、前記被測定物
に光を照射するための光源と、前記被測定物の表面の変
位を検出するための検出手段とを有し、前記検出手段は、前記被測定物の表面に接触させるため
の探針と、前記探針の変位を検出するため探針変位検出
部とを有することを特徴とする光吸収特性測定装置。
【請求項８】請求項７において、前記探針は、針状部
と、前記針状部が一端に取り付けられた可撓性のレバー
とを備え、前記探針変位検出部は、圧電体を有し、前記圧電体は、前記レバーに取り付けられていることを
特徴とする光吸収特性測定装置。
【請求項９】請求項７において、前記探針は、針状部
と、前記針状部が一端に取り付けられた可撓性のレバー
とを備え、前記探針変位検出部は、前記レバーに光を照射する光照
射部と、前記レバーで反射した光を検出する光検出器と
を有することを特徴とする光吸収特性測定装置。