JPH11211566A

JPH11211566A - 分光光度計

Info

Publication number: JPH11211566A
Application number: JP3032998A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Niikura; 宏新倉
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-01-29
Filing date: 1998-01-29
Publication date: 1999-08-06

Abstract

(57)【要約】【課題】照明光線を高入射角とする場合であっても、
反射率や透過率を簡易な方法で正確に測定すること。【解決手段】まず、サンプルＳＡやリファレンスＲＥ
を試料室Ｃ３内にセットする。次に、光源部２からの照
明光を分光部３及びビーム形成光学系４を介してサンプ
ルＳＡの表面に入射させる。この際、サンプルＳＡ表面
への照明光の入射角は、角度調整部５によって高入射角
に設定される。ここで、高入射角とは、一般にサンプル
ＳＡ表面への入射角が４５゜程度以上の斜入射状態を意
味する。また、サンプルＳＡ表面に入射する照明光線の
開き角は、ビーム整形光学系４１やレンズ系４４等の調
節によって±３゜以下に設定される。サンプルＳＡから
は正反射光が検出光として出射するが、この検出光は、
光電子増倍管６４で光電変換される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、試料の反射率、
透過率等を計測するための分光光度計に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】分光光度計は、通常、試料を照明するた
めの照明光を発生する光源と、光源からの照明光を適当
な条件で試料に入射させる光学系と、試料から出射する
検出光を光電変換する光検出装置と、試料に入射させる
照明光若しくは試料から出射する検出光を分光する分光
器とを備える。

【０００３】このような分光光度計は、装置サイズに一
定の制限があり、内蔵される光源及び光学系のサイズに
も一定の制限がある。このため、サンプル面に入射させ
る照明光の光線の開き角は、照明光量をできるだけ確保
するため、約±６°（ＮＡ＝約０．１）に設定されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、反射防止膜、
ミラー、ハーフミラー等の試料について反射率や透過率
を測定する際に、試料面に入射する照明光線を大きく傾
けたい場合（すなわち照明光線を高入射角としたい場
合）がある。このような場合、照明光線の入射角に対す
る開き角の比率が相対的に大きくなってしまう。つま
り、照明光線を高入射角とした場合、開き角に原因する
角度誤差を無視することができなくなり、反射率、透過
率等について正確な角度特性を得ることができなくな
る。

【０００５】また、プリズムの透過率測定においても、
試料面に入射する照明光線の開き角が大きくなるにつれ
て、各波長で偏角の広がり幅が増大して誤差要因とな
る。これに対しては、光検出装置の受光面積を大きくす
る等の工夫も考えられるが、光検出装置の検出面には一
定の感度分布があり、受光面積を大きくしただけでは問
題は解決しない。

【０００６】そこで、この発明は、照明光線を高入射角
とする場合であっても、反射率や透過率を簡易な方法で
正確に測定することができる分光光度計を提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、この発明の分光光度計は、光源からの照明光を試料
の表面に入射させることによって前記試料から出射する
光を測定する分光光度計であって、前記照明光を前記試
料表面に入射させる際の開き角を±３゜以下に設定する
ことを特徴とする。

【０００８】また、好ましい態様では、前記照明光を前
記試料表面に高入射角で入射させることを特徴とする。

【０００９】また、好ましい態様では、前記試料から出
射する光に基づいて、絶対反射率、相対反射率、及び透
過率のいずれかを計測することを特徴とする。

【００１０】また、好ましい態様では、前記試料を収容
する試料室と、当該試料室に所定の雰囲気ガスを供給す
るガス導入装置と、当該試料室からガスを排気するガス
排気装置とをさらに備えることを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ、本発明
に係る分光光度計の実施形態について具体的に説明す
る。

【００１２】〔第１実施形態〕図１は、第１実施形態の
分光光度計の構造を説明する図である。この分光光度計
は、反射率を測定するためのもので、サンプルＳＡを照
明する照明光を発生する光源部２と、光源部２からの照
明光を分光する分光部３と、サンプルＳＡ上に入射させ
る照明光線を形成するビーム形成光学系４と、照明光線
の入出射角を調整する角度調整部５と、サンプルＳＡか
らの反射光の強度を検出する検出光学系６とを備える。
また、この分光光度計は、レファレンスＲＥ側に照明光
を分岐して、サンプルＳＡのリファレンスＲＥに対する
相対的な反射率の測定を可能にする参照光学系７を備え
る。

【００１３】光源部２は、照明光を発生する光源２１
と、この光源２１からの照明光をスリットＳ１上に集光
する光学系２２とを備える。なお、光源２１は、測定波
長域や測定目的に応じて別の光源（レーザ光源やランプ
光源）に適宜変更可能になっている。この光源部２は、
気密室Ｃ１内に収容されており、この気密室Ｃ１には、
ガス源２６からのガスを室内に導入するための入口ポー
ト２７と、室内のガスを排気装置２８に排気する出口ポ
ート２９とが形成されている。

【００１４】分光部３は、光源部２からの照明光を分光
するグレーティング３１を備える。グレーティング３１
は、必要な波長を選択するため、紙面に垂直な軸の回り
で回転可能になっている。この分光部３も、気密室Ｃ２
内に配置されており、この気密室Ｃ２にも、ガス源３６
からのガスを室内に導入するための入口ポート３７と、
室内のガスを排気装置３８に排気する出口ポート３９と
が形成されている。

【００１５】ビーム形成光学系４は、光源部２からの照
明光のビーム形状を整形するビーム整形光学系４１と、
サンプルＳＡを照明する際の照度を調節する減光フィル
タ４２と、サンプルＳＡに入射させる照明光の偏光方向
を調節する偏光子４３と、サンプルＳＡに入射させる照
明光線の開き角（入射光軸とこの入射光軸に対して最も
外れた角度で入射する照明光線との成す角度）を調節す
るレンズ系４４とを備える。なお、減光フィルタ４２や
偏光子４３は、照明光の光路上から退避させることがで
きるようになっている。

【００１６】角度調整部５は、サンプルＳＡ上の測定ポ
イントに対して対称に配置された一対のミラー５１、５
２を備える。両ミラー５１、５２は、位置や回転角を変
更できるようになっており、サンプルＳＡに入射させる
照明光線の光軸の角度（入射角）と、サンプルＳＡから
取り出す検出光の光軸の角度（出射角）とを調節するこ
とができる。図示の場合、任意の入射角に対してこれと
等しい出射角を設定して、様々な入射角で正反射光を検
出できるようになっている。

【００１７】検出光学系６は、サンプルＳＡからの検出
光を適所に導く一対のミラー６１、６２と、迷光等の入
射を防ぐスリット６３と、スリット６３を通過した検出
光を受けてこれを光電変換して検出光の強度に対応する
電気信号を出力する光電子増倍管６４とを備える。

【００１８】参照光学系７は、ビーム形成光学系４から
の照明光を交互に反射したり通過させるチョッパ７１
と、チョッパ７１を通過した照明光の光路上に進退可能
に配置され、リファレンスＲＥへの照明光の供給をオン
・オフする遮光板７２と、リファレンスＲＥに入射させ
る照明光の入射角とリファレンスＲＥから取り出す検出
光の出射角とを調節する一対のミラー７３、７４と、ミ
ラー７４で反射された検出光を検出光学系６のミラー６
２に導くミラー７５とを備える。チョッパ７１は、円板
状の反射鏡７１ａと、この反射鏡７１ａを定速で回転さ
せるモータ７１ｂとを備える。反射鏡７１ａの周囲に
は、適当な間隔で切欠が形成されており、適当な周期で
サンプルＳＡとリファレンスＲＥとに照明光が交互に供
給される。サンプルＳＡとして基板上に薄膜を形成した
ものをセットし、リファレンスＲＥとしてサンプルＳＡ
と同一の基板で未コートのものをセットすれば、相対反
射率の測定が可能になる。なお、リファレンスＲＥの位
置に完全なミラーを配置することなどにより、絶対反射
率を求めることができる。

【００１９】以上の角度調整部５、検出光学系６、及び
参照光学系７は、試料室を兼ねる気密室Ｃ３中に配置さ
れており、この気密室Ｃ３には、ガス源８６から室内に
ガスを導入するための入口ポート８７と、室内のガスを
排気装置８９に排気する出口ポート８８とが形成されて
いる。

【００２０】以下、図１の分光光度計の動作について説
明する。まず、サンプルＳＡを（必要に応じてリファレ
ンスＲＥも）気密室Ｃ３内にセットする。次に、光源部
２からの照明光を分光部３、ビーム形成光学系４等を介
してサンプルＳＡの表面に入射させる。この際、サンプ
ルＳＡ表面への照明光の入射角は、角度調整部５によっ
て高入射角に設定される。ここで、高入射角とは、一般
にサンプルＳＡ表面への入射角が４５゜程度以上の斜入
射状態を意味する。また、サンプルＳＡ表面に入射する
照明光線の開き角は、レンズ系４４やビーム整形光学系
４１等の調節によって±３゜以下に設定される。サンプ
ルＳＡからは正反射光が検出光として出射するが、この
検出光は、光電子増倍管６４で光電変換される。この
際、グレーティング３１の角度を変化させれば、反射率
の波長分布を求めることができる。

【００２１】以上では、相対反射率の測定や絶対反射率
の測定について説明したが、角度調整部５を省略して、
チョッパ７１の反射鏡７１ａとミラー６１との間にサン
プルＳＡを配置し、サンプルＳＡの姿勢を適宜設定して
入射角を調節すれば、透過率の測定も可能になる。

【００２２】紫外領域（通常３００ｎｍ以下）における
測定では、酸素の吸収によって２００ｎｍ以下の光が減
衰することを考慮しなければならない。また、このよう
な紫外光を吸収した酸素はオゾンとなり、２５０ｎｍか
ら２６０ｎｍ付近にも吸収を持ち、発生したオゾンによ
って光学系がダメージを受ける。よって、このような紫
外領域での測定では、気密室Ｃ１〜Ｃ３において、不活
性ガス、または窒素ガスなどをパージするか、真空とす
る必要がある。

【００２３】このため、気密室Ｃ１〜Ｃ３内は、例えば
常圧下で、酸素分圧を１×１０^-2Ｔｏｒｒ以下、或いは
酸素濃度を０．０１％以下とすることができ、紫外領域
で酸素による吸収を防止することによって正確な計測が
可能となっている。この際、大気等の酸素含有気体を不
活性ガス（例えばヘリウム、アルゴン等）、窒素ガス、
或いはこれらの混合ガスに置換することで、紫外領域で
より正確な計測が可能となる。また、不活性ガスや窒素
ガスの純度が９９．９９％以上であれば、紫外領域でよ
り正確な計測が可能となる。

【００２４】また、気密室Ｃ１〜Ｃ３は、耐真空度が１
×１０^-6Ｔｏｒｒ以下となっており、サンプルＳＡ等を
真空下に置くことによっても、紫外領域で正確な分光光
度の計測が可能となっている。

【００２５】また、光源２１としてレーザ装置を用いた
場合、ビーム形成光学系４で特段の工夫をすることな
く、サンプルＳＡ面での照明光線の開き角を±３°以下
にすることができる。ただし、光源２１にレーザ装置を
用いる場合には、サンプルＳＡと測定目的に応じて適当
な減光フィルタ４２を光路中に挿入する。特に３００ｎ
ｍ以下の紫外領域における測定では、酸素の吸収により
２００ｎｍ以下の光が減衰することを考慮して、減光フ
ィルタ４２の透過率を適宜設定する必要がある。

【００２６】一方、光源２１として、重水素ランプ、キ
セノンランプ、ハロゲンランプ等の広帯域のランプ光源
を用いた場合、照明光量を確保しようとするとサンプル
ＳＡ面での照明光線の開き角が大きくなる傾向があるの
で、レンズ系４４やビーム整形光学系４１等を適宜調節
して、照明光量を確保したままで開き角を±３°以下に
設定する。

【００２７】以下、図１に示すような分光光度計を用い
た測定の具体的な実施例について説明する。

【００２８】（第１実施例）波長３６５ｎｍ、入射角５
５°で使用するミラーの設計を行い、この設計に基づい
て作製したサンプルＳＡについて、図１の装置で絶対反
射率の測定を行った。光源２１として重水素ランプを用
い、サンプルＳＡ面での照明光線の開き角が±３°にな
るように設定し、入射角５０°〜６０°の範囲で測定を
行った。図２はその結果を示すグラフである。グラフか
ら、サンプルＳＡの理論上の反射率である設計値（実
線）と、サンプルＳＡの実際の反射率である実測値（点
線）とがほぼ一致することがわかる。

【００２９】（第２実施例）波長２４８ｎｍ、入射角５
５°で使用するミラーの設計を行い、この設計に基づい
て作製したサンプルＳＡについて、図１の装置で絶対反
射率の測定を行った。光源２１として重水素ランプを用
い、サンプルＳＡ面での照明光線の開き角が±３°にな
るように設定し、入射角５０°〜６０°の範囲で測定を
行った。図３はその結果を示すグラフである。グラフか
ら、サンプルＳＡの理論上の反射率である設計値（実
線）と、サンプルＳＡの実際の反射率である実測値（点
線）とがほぼ一致することがわかる。

【００３０】（第３実施例）波長１９３ｎｍ、入射角７
８°で使用するミラーの設計を行い、この設計に基づい
て作製したサンプルＳＡについて、図１の装置で絶対反
射率の測定を行った。光源２１としてＡｒＦエキシマレ
ーザを用い、入射角７０°〜８５°の範囲で測定を行っ
た。なお、ＡｒＦエキシマレーザの場合、サンプルＳＡ
面での照明光線の開き角が±０．１゜以下になる。

【００３１】このような紫外領域の測定では、サンプル
ＳＡのセット後、光源２１であるＡｒＦエキシマレーザ
を点灯させる前に、気密室Ｃ１〜Ｃ３内の雰囲気を制御
する必要がある。具体的には、純度９９．９９９％の窒
素ガスを各気密室上部に設けた入口ポート２７、３７、
８７から５〜２０リットル／分の流量で導入し、各気密
室下部に設けた出口ポート２９、３９、８８から排気し
た。また、置換の効率を上げるため、数分間ロータリー
ポンプでの排気を行い続いてガス導入を行う動作を数回
繰り返した。このようにしてガス置換を行った後、光源
２１を点灯させ、安定後、窒素ガスの供給・排気の流量
を５リットル／分以下に設定した。

【００３２】図４はその結果を示すグラフである。グラ
フから、サンプルＳＡの理論上の反射率である設計値
（実線）と、サンプルＳＡの実際の反射率である実測値
（実線）とが完全に一致することがわかる。

【００３３】（第４実施例）第４実施形態は、第３実施
形態の変形例である。サンプルＳＡは、第３実施例のも
のと同一である。入射角の範囲も第３実施例と同一と
し、気密室Ｃ１〜Ｃ３内の雰囲気の制御も第３実施例と
同一とした。ただし、光源２１として重水素ランプを用
い、レンズ系４４等を調節してサンプルＳＡ面での照明
光線の開き角が±３°になるように設定した。図４に示
すように、設計値（実線）と実測値（点線）とがほぼ近
似できることが分かる。つまり、ほぼ信頼性のある実測
値を得ることができることが分かる。

【００３４】以下、従来型の分光光度計による測定結果
に対応する比較例について説明する。

【００３５】（第１比較例）サンプルＳＡは、第１実施
例のものと同一である。光源２１や入射角の範囲も第１
実施例と同一とした。ただし、レンズ系４４等を調節し
てサンプルＳＡ面での照明光線の開き角が±５．７°に
なるように設定した。図２に示すように、設計値（実
線）と実測値（一点鎖線）とがかなり相違することが分
かる。つまり、この比較例では、十分信頼性のある実測
値を得ることができていない。

【００３６】（第２比較例）サンプルＳＡは、第２実施
例のものと同一である。光源２１や入射角の範囲も第２
実施例と同一とした。ただし、レンズ系４４等を調節し
てサンプルＳＡ面での照明光線の開き角が±５．７°に
なるように設定した。図３に示すように、設計値（実
線）と実測値（一点鎖線）とがかなり相違することが分
かる。つまり、この比較例では、十分信頼性のある実測
値を得ることができていない。

【００３７】（第３比較例）サンプルＳＡは、第３、４
実施例のものと同一である。光源２１や入射角の範囲も
第３、４実施例と同一とした。ただし、レンズ系４４等
を調節してサンプルＳＡ面での照明光線の開き角が±
５．７°になるように設定した。図４に示すように、設
計値（実線）と実測値（一点鎖線）とがかなり相違する
ことが分かる。つまり、この比較例では、十分信頼性の
ある実測値を得ることができていない。

【００３８】〔第２実施形態〕図５は、第２実施形態の
分光光度計の構造を説明する図である。この分光光度計
では、プリズムの透過率を測定することができる。第２
実施形態の分光光度計は、第１実施形態の分光光度計を
変形したものであり、同一部分には同一の符号を付して
重複説明を省略する。

【００３９】この分光光度計では、光源部２からの照明
光を、分光部３、ビーム形成光学系４を介してプリズム
状のサンプルＳＡの表面に入射させる。この際、サンプ
ルＳＡ表面への照明光の入射角は適当な入射角に設定さ
れる。また、サンプルＳＡ表面に入射する照明光線の開
き角は、レンズ系４４やビーム整形光学系４１等によっ
て±３゜程度に設定される。サンプルＳＡからは屈折光
が検出光として出射するが、この検出光は、光電子増倍
管６４で光電変換される。

【００４０】以下、図５に示すような分光光度計を用い
た測定の具体的な実施例について説明する。

【００４１】（第１実施例）波長１９３ｎｍ、入射角６
０°で使用するプリズムの設計を行い、この設計に基づ
いて作製したサンプルＳＡについて、図５の装置で透過
率の測定を行った。光源２１としてＡｒＦエキシマレー
ザを用い、入射角６０°、サンプルＳＡ面での光線径を
１０ｍｍに設定して測定を行った。気密室Ｃ１〜Ｃ３に
は、純度９９．９９９％の窒素ガスを各気密室上部に設
けた入口ポート２７、３７、８７から５〜２０リットル
／分の流量で導入し、各気密室下部に設けた出口ポート
２９、３９、８８から排気した。また、置換の効率を上
げるため、数分間ロータリーポンプでの排気を行い続い
てガス導入を行う動作を数回繰り返した。このようにし
てガス置換を行った後、光源２１を点灯させ、安定後、
窒素ガスの供給及び排気の際の流量を５リットル／分以
下に設定した。その結果、光電子増倍管６４の受光面で
の検出光の光線径は８．３ｍｍであった。

【００４２】（第２実施例）サンプルＳＡは、第１実施
例のものと同一である。入射角も第１実施例と同一とし
た。ただし、光源２１として重水素ランプを用い、サン
プルＳＡ面での光線径を１０ｍｍに設定して測定を行っ
た。サンプルＳＡ面での光線の開き角は±３°となって
いる。その結果、受光素子の面での光線径は１７．４ｍ
ｍであった。

【００４３】以下、従来型の分光光度計による測定結果
に対応する比較例について説明する。

【００４４】（第１比較例）サンプルＳＡは、第１実施
例のものと同一である。入射角も第１実施例と同一とし
た。ただし、光源２１として重水素ランプを用い、サン
プルＳＡ面での光線径を１０ｍｍに設定して測定を行っ
た。サンプル面での光線の開き角は±５．７°となって
いる。その結果、受光素子の面での光線径は２６．７ｍ
ｍであった。

【００４５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明の分光光度計によれば、前記照明光を前記試料表面に
入射させる際の開き角を±３゜以下に設定するので、試
料表面への照明光の入射角をより精密に制御して正確な
分光測定を行うことができる。

【００４６】また、好ましい態様によれば、前記照明光
を前記試料表面に高入射角で入射させるので、照明光の
開き角が誤差要因となり易い高入射角の測定で精密な測
定結果を得ることができる。

【００４７】また、好ましい態様によれば、前記試料か
ら出射する光に基づいて絶対反射率、相対反射率、及び
透過率のいずれかを計測するので、照明光を試料表面に
高入射角の光線として入射させる場合等において、正確
な絶対反射率、相対反射率、及び透過率を得ることがで
きる。

【００４８】また、好ましい態様では、前記試料を収容
する試料室と、当該試料室に所定の雰囲気ガスを供給す
るガス導入装置と、当該試料室からガスを排気するガス
排気装置とをさらに備えるので、紫外域での測定をより
正確なものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の分光光度計の構造を説
明する図である。

【図２】具体的実施例及び比較例を説明する図である。

【図３】具体的実施例及び比較例を説明する図である。

【図４】具体的実施例及び比較例を説明する図である。

【図５】第２実施形態の分光光度計の構造を説明する図
である。

【符号の説明】

２光源部３分光部４ビーム形成光学系５角度調整部６検出光学系７参照光学系２１光源２２光学系２６ガス源２７入口ポート２８排気装置２９出口ポート３１グレーティング４１ビーム整形光学系４２減光フィルタ４３偏向子４４レンズ系６４光電子増倍管７１チョッパ７２遮光板Ｃ１〜Ｃ３気密室ＲＥリファレンスＳＡサンプル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの照明光を試料の表面に入射さ
せることによって前記試料から出射する光を測定する分
光光度計であって、前記照明光を前記試料表面に入射させる際の開き角を±
３゜以下に設定することを特徴とする分光光度計。
【請求項２】前記照明光を前記試料表面に高入射角で
入射させることを特徴とする請求項１記載の分光光度
計。
【請求項３】前記試料から出射する光に基づいて、絶
対反射率、相対反射率、及び透過率のいずれかを計測す
ることを特徴とする請求項１記載の分光光度計。
【請求項４】前記試料を収容する試料室と、当該試料
室に所定の雰囲気ガスを供給するガス導入装置と、当該
試料室からガスを排気するガス排気装置とをさらに備え
ることを特徴とする請求項１記載の分光光度計。