WO2014033783A1

WO2014033783A1 - 分光器および分光測定方法

Info

Publication number: WO2014033783A1
Application number: PCT/JP2012/005488
Authority: WO
Inventors: 甲二埴原
Original assignee: パイオニア株式会社; パイオニア・マイクロ・テクノロジー株式会社
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2014-03-06
Also published as: JPWO2014033783A1; JP5898771B2

Abstract

　本発明は、各色の波長の強度分布を、簡単な構成で且つ精度良く測定することを課題としている。　本発明は、１８色各色の波長をそれぞれ透過ピークとする１８個のフィルター部２８と、１８個のフィルター部２８を通過した入射光を、それぞれ受光して光電流値を出力する１８個の受光素子２５と、相違した特定の強度分布を有する１８種の校正光を個々に入射させて得られたフィルター部２８毎且つ色毎の透過係数の係数行列を、逆行列に変換して成る補正行列を記憶する記憶部３１と、１８個の受光部の各光電流値と補正行列との乗算処理によって、強度分布を算出する算出部３２と、を備えたことを特徴とする。

Description

分光器および分光測定方法

　本発明は、入射光における各波長の強度分布を測定する分光器および分光測定方法に関するものである。

　従来、この種の分光器として、基板および多重膜から成る透過波長可変干渉フィルターと、透過波長可変干渉フィルターを通過した光を受光する複数の受光素子と、を備えたものが知られている（特許文献１参照）。この透過波長可変干渉フィルターは、複数の受光素子の並び方向に進むに従って、多層膜の厚みを連続的に厚くした構造となっている。すなわち、透過波長可変干渉フィルターが、各色の波長を透過ピークとする複数のフィルター部として機能し、複数の受光素子は、複数のフィルター部を通過した入射光をそれぞれ受光する。そして、複数の受光部の出力値に基づいて、各色の波長の強度分布を算出する。

特開平１１－１４２７５２号公報

　ところで、このような構成では、任意の１色の波長強度を、対応する単一の受光部の出力値に基づいて算出している。すなわち、理想的には、各フィルター部において図８（ａ）に示すような透過特性が得られるので、各色の受光部の出力値（光電流値）と、当該各色の波長強度とが比例関係にある。そのため、各受光部の出力値を所定の係数で補正して、各色の波長強度を算出している。
　しかしながら、実際には、図８（ａ）のような理想的な透過特性が得られず、例えば、図８（ｂ）に示すような透過特性(空気/HLHL4HLHLH/基板とした場合の特性。「L」は低屈折材料の単位厚さ、「H」は高屈折材料の単位厚さ、「4H」は単位厚さの４倍の厚さを表す。ただし、「屈折率」*「単位厚さ」＝λ/4。λは、透過ピークの波長)が得られる。すなわち、必ずしも各受光部の出力値と、各色の波長強度とは比例関係とはならないので、上記の構成では、強度分布を精度良く得ることができないという問題があった。これに対し、各フィルター部を複雑化して精度を向上し、図８（ａ）に示した透過特性に極力近づけることも可能であるが、かかる場合、各フィルター部が複雑化または大型化してしまうという問題があった。これによって、分光器全体が大型化してしまう。

　本発明は、各色の波長の強度分布を、簡単な構成で且つ精度良く測定することができる分光器および分光測定方法を提供することを課題としている。

　本発明の分光器は、入射光におけるｎ（ｎ≧１）色各色の波長の強度分布を測定する分光器であって、ｎ色各色の波長をそれぞれ透過ピークとするｎ個のフィルター部と、ｎ個のフィルター部を通過した入射光を、それぞれ受光して光電流値を出力するｎ個の受光部と、相違した特定の強度分布を有するｎ種の校正光を個々に入射させて得られたフィルター部毎且つ色毎の透過係数の係数行列を、逆行列に変換して成る補正行列を記憶する記憶部と、ｎ個の受光部の各光電流値と補正行列との乗算処理によって、強度分布を算出する算出部と、を備えたことを特徴とする。

　本発明の分光測定方法は、ｎ（ｎ≧１）色各色の波長をそれぞれ透過ピークとするｎ個のフィルター部とｎ個の受光部とを備えた分光器により、入射光におけるｎ色各色の波長の強度分布を測定する分光測定方法であって、ｎ個の受光部により、ｎ個のフィルター部を通過した入射光を、それぞれ受光して光電流値を出力する受光ステップと、相違した特定の強度分布を有するｎ種の校正光を個々に入射させて得られたフィルター部毎且つ色毎の透過係数の係数行列を、逆行列に変換して成る補正行列を記憶する記憶ステップと、ｎ個の受光部の各光電流値と補正行列との乗算処理によって、強度分布を算出する算出ステップと、を実行することを特徴とする。

　これらの構成によれば、ｎ個の受光部の出力値と、フィルター部毎且つ色毎の透過係数の係数行列（透過率の波長依存性）に対する逆行列（補正行列）と、に基づいて、各色の波長の強度分布を算出する。すなわち、全受光部の出力値（光電流値）と補正行列とに基づいて各色の波長強度を算出することで、透過ピークとなる色成分の透過特性だけでなく全色の色成分の透過特性を加味し、また他の受光部の出力値も加味して、各色の波長強度（強度分布）を算出することができる。よって、各受光部の出力値と、各色の波長強度とが比例関係になくとも、各波長の強度分布を精度良く測定することができる。また、フィルター部側の精度（誤差）を、制御側で補う構成となるため、フィルター部側に高い精度を必要とせず、簡単な構成で精度良く強度分布を測定することができる。よって、分光器を小型化することができる。

　この場合、ｎ種の校正光は、ｎ色各色の波長の単色光であることが好ましい。

　この構成によれば、フィルター部毎且つ色毎の透過係数（係数行列）を精度良く得ることができる。その結果、より精度良く強度分布を測定することができる。

　また、ｎ個のフィルター部は、一体の透過波長可変干渉フィルターにより構成されていることが好ましい。

　この構成によれば、複数のフィルター部をそれぞれ成形する必要がなく、一体に成形することができる。そのため、複数のフィルター部を容易に製造することができる。

　また、透過波長可変干渉フィルターは、高屈折率材料と低屈折率材料とを交互に積層した多重層を、各受光部に対する開口率が異なるマスク部材を介してスパッタリング成形して成ることが好ましい。

　この構成によれば、当該マスク部材を介してスパッタリング成形することで、各受光部に対し、異なる厚みで多重層が積層される。そのため、マスク部材に可動部（例えば可動シャッター）を設ける必要がなく、また短時間で透過波長可変干渉フィルターを成形することができる。

　一方、入射光を拡散する拡散板と、拡散した入射光を偏向して各受光部に導く導光板と、偏向した入射光を、平行光にするコリメーターレンズアレイと、を更に備えることが好ましい。

　この構成によれば、入射光が各受光部に均等に且つ垂直入射の平行光として受光されるため、強度分布をより精度良く測定することができる。

本実施形態に係る分光器を模式的に示した構成図である。透過波長可変干渉フィルターを示した模式図である。透過波長可変干渉フィルターの製造方法を示した模式図である。強度分布の算出に係る行列式である。分光器の校正装置を模式的に示した構成図である。補正行列の算出に係る行列式である。受光素子アレイの変形例を示した図である。（ａ）は、フィルター部における理想的な透過特性を示した図である。（ｂ）は、フィルター部における実際の透過特性を示した図である。

　以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態に係る分光器および分光測定方法について説明する。本実施形態では、本発明を適用した分光器およびその校正装置を例示する。本分光器は、半導体製造技術で作成された小型の半導体パッケージである。また、本分光器は、非可動型で、可視光線領域を１８分割した１８個の波長域の強度分布（光の電磁波スペクトル）を測定する分析装置である。すなわち、入射光（検査光）における１８色各色の波長の強度分布を測定する。特に、この分光器は、高度な補正演算により、高精度化および小型化を実現したものである。

　図１に示すように、分光器１は、入射口１１ａを形成する遮光構造を有した入射部１１と、入射口１１ａからの入射光を拡散する拡散板１２と、拡散した入射光を偏向する導光板１３と、偏向した入射光を平行光にするコリメーターレンズアレイ１４と、当該平行光を受光する１８個の受光素子２５を成す受光素子アレイ１５と、１８個の受光素子２５上に成形された透過波長可変干渉フィルター１６と、１８個の受光素子２５の各出力値（光電流値）に基づいて、各波長の強度分布を測定する制御部１７と、を備えている。入射口１１ａからの入射光は、拡散板１２により拡散された後、導光板１３により偏向され、コリメーターレンズアレイ１４および透過波長可変干渉フィルター１６を介して、１８個の受光素子２５に導かれる。

　受光素子アレイ１５は、フォトダイオードアレイで構成されており、Ｐ＋基板２１と、Ｐ＋基板２１上に配設されたＰ－ＥＰＩ基板２２と、Ｐ－ＥＰＩ基板２２上に形成されたＮ－ＥＰＩ層２３と、Ｎ－ＥＰＩ層２３上に横並びに形成された複数のＮ＋層２４と、を有している。これらによって、受光素子アレイ１５は、並列したＮ＋層２４毎の１８個の受光素子（受光部）２５を構成している。各受光素子２５は、受光した入射光を変換して光電流値（出力値）を得る。そして、この光電流値を制御部１７に出力する。

　透過波長可変干渉フィルター１６は、高屈折材料（例えばＴｉＯ_２）と低屈折材料（例えばＳｉＯ_２）とを交互に積層した多重層で構成されている。透過波長可変干渉フィルター１６は、当該多重層を、受光素子２５の並び方向に向かって徐々に厚く形成することで、透過ピークが異なる１８個のフィルター部２８を成している。１８個のフィルター部２８は、１８個の受光素子２５にそれぞれ対応しており、１８個の受光素子２５は、１８個のフィルター部２８を通過した入射光をそれぞれ受光する。また、１８個のフィルター部２８は、上記１８色各色をそれぞれ透過ピークとしている。

　なお、透過波長可変干渉フィルター１６は、図２（ａ）に示すように、受光素子の並び方向に向かって、多重層の厚みを、受光素子２５毎（フィルター部２８毎）に段階的に厚くしていく構成であっても良いし、図２（ｂ）に示すように、受光素子２５の並び方向に向かって、多重層の厚みを、傾斜状に徐々に厚くしていく構成であっても良い。

　ここで図３を参照して、透過波長可変干渉フィルター１６の製造方法について説明する。図３に示すように、透過波長可変干渉フィルター１６は、マスク部材Ｍを受光素子アレイ１５上に配置した状態で、上記多重層を、マスク部材Ｍを介して受光素子アレイ１５上にスパッタリング成形して成る。当該マスク部材Ｍは、マスク本体Ｍ１と、マスク本体Ｍ１および受光素子アレイ１５を所定の距離だけ離間させるスペーサーＭ２とを有している。また、マスク本体Ｍ１は、各受光素子２５に対し、異なる開口率の開口部Ｍ１ａを有している。よって、マスク部材Ｍを介して、多重層のスパッタリング成形を行うと、開口率が大きい開口部Ｍ１ａでは、受光素子２５に対し多重層が厚く形成され、開口率が小さい開口部Ｍ１ａでは、受光素子２５に対し多重層が薄く形成される。これによって、多重層の厚みが調整され、透過ピークが異なる複数のフィルター部２８が成形される。

　図１に戻り、制御部１７は、補正行列を記憶する記憶部３１と、各受光素子２５の出力値と補正行列とに基づいて、強度分布を算出する算出部３２と、を有している。

　記憶部３１は、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only
Memory）等で構成されており、強度分布の算出時に用いる補正行列を記憶する。補正行列は、フィルター部２８毎且つ色毎の透過係数の係数行列を、逆行列に変換したものである。詳細は後述するが、当該補正行列は、予め校正装置４１において生成され、記憶部３１に記憶される。

　算出部３２は、１８個の受光素子２５からの出力値（光電流値）と、記憶部３１に記憶された補正行列とに基づいて、各色の波長の強度分布を算出する。具体的には、図４に示すように、補正行列ａ_ｉｊ（１≦ｉ≦１８，１≦ｊ≦１８）に、１８個の受光素子２５から出力された各光電流値の列（Ｉ_１，Ｉ_２，…Ｉ_１８）を乗算して、各色の波長の強度分布（Ｐ_１，Ｐ_２，…Ｐ_１８）を算出する。

　これらのように、分光器１は、予め補正行列を記憶部３１に記憶しておき（記憶ステップ）、１８個の受光素子２５により、各フィルター部２８を介して入射光（検査光）をそれぞれ受光し、光電流値を制御部１７に出力する（受光ステップ）。そして、算出部３２により、１８個の受光素子２５から出力された各光電流値と、記憶部３１に記憶された補正行列とに基づいて、１８色各色の波長強度を算出する（算出ステップ）。すなわち、各波長の強度分布を測定する。

　次に、図５および図６を参照して分光器１の校正装置４１について説明する。図５に示すように、本校正装置４１は、分光器１の校正を行う装置であり、具体的には、分光器１の補正行列を生成し、その分光器１の記憶部３１に記憶する装置である。校正装置４１は、分光器１をセットするセット部５１と、セットした分光器１に校正光を入射する光源部５２と、校正光を入射したときの１８個の受光素子２５の各出力値に基づいて、補正行列を生成する校正制御部５３と、を備えている。

　光源部５２は、白色光を照射する白色光源６１と、白色光に干渉して１８種の校正光に変換する校正用干渉フィルター６２と、を備えている。校正用干渉フィルター６２は、可動型の高性能の波長可変干渉フィルターで構成されている。

　また、校正用干渉フィルター６２は、白色光源６１からの白色光を、１８種の校正光として、上記１８色各色の波長の単色光に変換する。すなわち、校正用干渉フィルター６２により、白色光を、相違した特定の強度分布を有する１８種の校正光に変換する。光源部５２は、白色光源６１および校正用干渉フィルター６２により、当該１８種の校正光を生成し、分光器１に個々に入射する。

　校正制御部５３は、１８種の校正光を個々に入射したときの１８個の受光素子２５の各出力値に基づいて、補正行列を生成する。具体的には、１８種の校正光を時分割で入射させ、各入射時の１８個の受光素子２５における各出力値（光電流値）を得る。そして、この各光電流値と、各校正光の強度分布とに基づいて、フィルター部２８毎且つ１８色各色の透過係数を算出し、係数行列ｂ_ｉｊ（１≦ｉ≦１８，１≦ｊ≦１８）とする（図６（ａ））。つまり、各校正光の入射によって、図６（ｂ）のような行列式がそれぞれ得られる。この各行列式に基づいて、この各光電流値Ｉ_１，Ｉ_２…Ｉ_１８と各校正光の波長強度Ｐ_ｉとから、係数行列の各列ｂ_ｉ１，ｂ_ｉ２，…ｂ_ｉ１８をそれぞれ算出することができる。そして、算出した係数行列ｂ_ｉｊを逆行列に変換して、補正行列ａ_ｉｊを算出する（図６（ｃ））。校正制御部５３は、算出した補正行列を記憶部３１に記憶して、校正（較正）を終了する。

　以上のような構成によれば、全受光素子２５の出力値（光電流値）と補正行列とに基づいて各色の波長強度を算出することで、透過ピークとなる色成分の透過特性だけでなく全色の色成分の透過特性を加味し、また他の受光素子２５を出力値も加味して、各色の波長強度（強度分布）を算出することができる。よって、各受光素子２５の出力値と、各色の波長強度とが比例関係になくとも、各波長の強度分布を精度良く測定することができる。また、フィルター部２８側の精度（誤差）を、制御側で補う構成となるため、フィルター部２８側に高い精度を必要とせず、簡単な構成で精度良く強度分布を測定することができる。よって、分光器１を小型化することができる。

　また、１８種の校正光は、上記１８色各色の波長の単色光とすることで、フィルター部２８毎且つ色毎の透過係数（係数行列）を精度良く得ることができる。その結果、より精度良く強度分布を測定することができる。

　さらに、１８個のフィルター部２８を、一体の透過波長可変干渉フィルター１６で構成することで、複数のフィルター部２８をそれぞれ成形する必要がなく、一体に成形することができる。よって、複数のフィルター部２８を容易に製造することができる。

　またさらに、透過波長可変干渉フィルター１６の製造方法において、受光素子２５毎に開口率が異なるマスク部材Ｍを介してスパッタリング成形することで、マスク部材Ｍに可動部（例えば可動シャッター）を設ける必要がなく、また短時間で透過波長可変干渉フィルター１６を成形することができる。

　また、入射部１１と透過波長可変干渉フィルター１６との間に、拡散板１２および導光板１３を介設することで、入射光が各受光素子２５に均等に受光されるため、強度分布をより精度良く測定することができる。

　なお、本実施形態においては、複数の受光素子２５を横並びに（並列に）配設する構成であったが、これに限るものではない。例えば、図７（ａ）に示すように、複数の受光素子２５をマトリクス状に配設する構成であっても良い。また、例えば、図７（ｂ）に示すように、複数の受光素子２５を、環状に並べて配設する構成であっても良い。

　さらに、本実施形態においては、補正行列を記憶部３１に記憶したが、係数行列を記憶部３１に記憶し、算出部３２により、係数行列を逆行列に変換して、補正行列を得る構成であっても良い。

　またさらに、本実施形態において、透過波長可変干渉フィルター１６（多重層）の成形位置が、受光素子２５の並び方向でずれてしまう可能性を考慮し、１８個の受光素子２５の並び方向外側に、予備の受光素子（図示省略）を配設する構成であっても良い。かかる場合、透過波長可変干渉フィルター１６（多重層）の成形位置がずれて利用不能となった受光素子２５に代えて、ずれた先の予備の受光素子の出力値により、補正行列および強度分布の算出を行う。

　また、本実施形態においては、入射光（検査光）に、紫外線領域および赤外線領域が含まれていない場合を想定しているが、入射光（検査光）に、紫外線領域および赤外線領域が含まれている場合、これに対する対策が必要である。そこで、本実施形態において、例えば、赤外線領域の影響を防ぐため、上記透過波長可変干渉フィルター１６上に赤外線カットフィルターを上塗りしておく構成としても良い。また、例えば、紫外線領域に相当する受光素子２５を有し、この受光素子２５の光電流値も加味して、補正行列および強度分布を算出する構成であっても良い。

　さらに、本実施形態においては、１８種の校正光を上記１８色各色の単色光としたが、１８種の校正光は、異なる特定の強度分布を有したものであれば、これに限るものではない。すなわち、強度分布が分かり、且つ当該強度分布が１８種の校正光で相違するものであれば、図６（ａ）の行列式により、係数行列を得ることができる。

　１：分光器、　１２：拡散板、　１３：導光板、　１４：コリメーターレンズアレイ、　１６：透過波長可変干渉フィルター、　２５：受光素子、　２８：フィルター部、　３１：記憶部、　３２：算出部、　Ｍ：マスク部材

Claims

　入射光におけるｎ（ｎ≧１）色各色の波長の強度分布を測定する分光器であって、
　前記ｎ色各色の波長をそれぞれ透過ピークとするｎ個のフィルター部と、
　前記ｎ個のフィルター部を通過した前記入射光を、それぞれ受光して光電流値を出力するｎ個の受光部と、
　相違した特定の強度分布を有するｎ種の校正光を個々に入射させて得られた前記フィルター部毎且つ色毎の透過係数の係数行列を、逆行列に変換して成る補正行列を記憶する記憶部と、
　前記ｎ個の受光部の各光電流値と前記補正行列との乗算処理によって、前記強度分布を算出する算出部と、を備えたことを特徴とする分光器。
　前記ｎ種の校正光は、前記ｎ色各色の波長の単色光であることを特徴とする請求項１に記載の分光器。
　前記ｎ個のフィルター部は、一体の透過波長可変干渉フィルターにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の分光器。
　前記透過波長可変干渉フィルターは、高屈折率材料と低屈折率材料とを交互に積層した多重層を、前記各受光部に対する開口率が異なるマスク部材を介してスパッタリング成形して成ることを特徴とする請求項３に記載の分光器。
　前記入射光を拡散する拡散板と、
　拡散した前記入射光を偏向して前記各受光部に導く導光板と、
　偏向した入射光を、平行光にするコリメーターレンズアレイと、を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の分光器。
　ｎ（ｎ≧１）色各色の波長をそれぞれ透過ピークとするｎ個のフィルター部とｎ個の受光部とを備えた分光器により、入射光における前記ｎ色各色の波長の強度分布を測定する分光測定方法であって、
　前記ｎ個の受光部により、前記ｎ個のフィルター部を通過した前記入射光を、それぞれ受光して光電流値を出力する受光ステップと、
　相違した特定の強度分布を有するｎ種の校正光を個々に入射させて得られた前記フィルター部毎且つ色毎の透過係数の係数行列を、逆行列に変換して成る補正行列を記憶する記憶ステップと、
　前記ｎ個の受光部の各光電流値と前記補正行列との乗算処理によって、前記強度分布を算出する算出ステップと、を実行することを特徴とする分光測定方法。