(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射した直線偏光の光を、対物レンズを介して被測定物に集光し、光軸方向に前記対物レンズと前記被測定物との相対距離を変化させて、その時々の前記被測定物からの反射光を検出器で受光し、検出した受光ピークに基づいて、複数の界面を持つ前記被測定物の測定対象界面の位置を求める界面の位置測定方法において、
前記対物レンズから前記被測定物への出射光の波面と、前記測定対象界面で反射して前記対物レンズに入射する入射光の波面との収差を無くすように、前記対物レンズを介して前記被測定物に集光する光へ波面収差を付与するに際し、
前記対物レンズの開口端と開口中心との波面に表れる収差がほぼ等しくなる前記対物レンズと、前記測定対象界面との位置において、収差補正を行うことを特徴とする界面の位置測定方法。
【請求項２】
前記波面収差の付与は、
平行配向の液晶パネルを用いて行い、前記液晶パネル近傍に温度センサを取り付け、あらかじめ測定しておいた前記液晶パネルの温度補正テーブルに基づき、付与する波面収差を補正することを特徴とする請求項１に記載の界面の位置測定方法。
【請求項３】
前記被測定物のある界面位置に対して設定した推定界面位置において、前記推定界面位置での収差補正量を算出して光に付加し、検出される受光ピーク位置を基に、前記推定界面位置と前記受光ピーク位置との差と、真の界面位置と前記推定界面位置との差の関係をあらかじめ求めておき、前記測定対象界面の推定界面位置での収差補正量を算出し、光に波面収差を付与して受光ピークを検出し、前記測定対象界面の推定界面位置と前記受光ピーク位置との差から、真の測定対象界面位置を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の界面の位置測定方法。
【請求項４】
直線偏光の光を出射する光源と、
前記光を被測定物に集光する対物レンズと、
前記対物レンズを介して前記被測定物に集光する光へ波面収差を付与する手段と、
前記対物レンズと前記被測定物との相対距離を光軸方向に対して変化させる機構と、
前記被測定物に集光した光の反射光を受光する検出器と、
検出された受光ピーク位置から、複数の界面を持つ前記被測定物の界面の位置を求める処理手段を備え、
前記波面収差を付与する手段は、位相変調面を有し、前記位相変調面を前記対物レンズの後側焦点に結像する光学系を備えていることを特徴とする界面の位置測定装置。
【請求項５】
前記光源および前記対物レンズは、少なくとも１つの界面が周期性を持った同心円状の複数の溝構造を有し、隣接する溝間の距離が一定のピッチＴｐである前記被測定物に対して、前記対物レンズの開口数をＮＡ、前記光源の波長をλとするときに、λ／Ｔｐ≧２ＮＡを満たすものを用いることを特徴とする請求項４に記載の界面の位置測定装置。
【請求項６】
前記波面収差を付与する手段は、平行配向の液晶パネルを有し、前記液晶パネルと前記対物レンズとの間に偏光ビームスプリッタを備え、前記光源の偏光方向と、前記液晶パネルの配向方向と、前記偏光ビームスプリッタの透過軸とを一致させ、また前記偏光ビームスプリッタと前記対物レンズとの間に１／４λ波長板を備え、前記１／４λ波長板を前記偏光ビームスプリッタの透過軸方向に対して４５度方向に配置し、直線偏光を円偏光に変えることを特徴とする請求項４または５に記載の界面の位置測定装置。
【請求項７】
直線偏光を射出する光源と、
前記光源の射出光を入射光とし前記直線偏光の偏光方向に対し角度θの方向にのみ球面収差を加える収差補正手段と、
前記収差補正手段の射出光を集光する対物レンズと、
前記対物レンズと前記対物レンズの集光点近傍に配置された被測定物との相対距離を変化させる走査手段と、
前記被測定物からの反射光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズの焦点位置に配置されたピンホールと、
前記ピンホールの射出光を入射光とし前記ピンホールの位置を焦点位置とするコリメータレンズと、
前記コリメータレンズの射出光を入射光とし前記収差補正手段で球面収差が加えられた偏光方向とその垂直な方向との光を分離する偏光分離手段と、
前記偏光分離手段のそれぞれの射出光を入射光とする２つの受光部とを具備し、
前記角度θを前記被測定物の表面反射光の反射率と、前記被測定物内の界面の反射光の反射率とがほぼ等しくなるように定め、
前記収差補正手段では、前記被測定物の表面から測定対象とする前記被測定物内の界面までの距離に応じて、前記被測定物で生じる球面収差を無くす逆の収差を光源の射出光に加えることを特徴とする界面の位置測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の界面を持つ被測定物の隣接する界面の位置を測定する位置測定方法及び位置測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年における光ディスクの大容量化にともない、記録光源の短波長化による記録密度の向上や、記録面の多層化が進んでいる。また一方、ディスクの傾きや反りに対する動作の安定性確保のために、ディスクの光が透過するカバー層の厚さは非常に薄くなってきている。そのため、このような光ディスクにおいて高精度な膜厚管理を行うことは必要であり、そのための多層化された光ディスクの界面の位置の測定技術が望まれている。
【０００３】
界面の位置測定方法に関する従来技術は、図１７に示すように光学顕微鏡装置を用いて行っており、それはレーザ光２０１を対物レンズ２０２により被測定物２０３の表面に集光し、その反射光を検出器２０４表面に集光して受光させて、前記反射光の強度に基づいて被測定物の深度に関する情報を検出する共焦点光学系を利用した方法であった（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、対物レンズを透過する光は、球面収差があることにより、光の収差を補正する方法としては、従来、被測定物からの反射光を第１の光分岐素子で分岐し、分岐した光を第２の光分岐素子でさらに光軸付近の光と周辺部の光とに分離して、それぞれの光を検出器表面で受光し、焦点位置のずれを検出することで収差を検出し、補正を行っていた（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平０８−１６０３０６号公報
【特許文献２】国際公開第０２／０２１５２０号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の構成では、複数の界面を持つ被測定物の隣接する界面の位置を測定する際、被測定面に集光する光に屈折率の違いにより球面収差が発生し、集光スポットがぼやけてしまう。そのため、検出器で受光する光強度ピークが複数検出され、また受光ピークも低くなり、検出が難しく測定精度が低下してしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の界面の位置測定方法は、光源から出射した直線偏光の光を、対物レンズを介して被測定物に集光し、光軸方向に前記対物レンズと前記被測定物との相対距離を変化させて、その時々の前記被測定物からの反射光を検出器で受光し、検出した受光ピークに基づいて、複数の界面を持つ前記被測定物の測定対象界面の位置を求める界面の位置測定方法において、前記対物レンズから前記被測定物への出射光の波面と、前記測定対象界面で反射して前記対物レンズに入射する入射光の波面との収差を無くすように、前記対物レンズを介して前記被測定物に集光する光へ波面収差を付与するに際し、前記対物レンズの開口端と開口中心との波面に表れる収差がほぼ等しくなる前記対物レンズと、前記測定対象界面との位置において、収差補正を行うことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の位置測定装置は、直線偏光の光を出射する光源と、前記光を被測定物に集光する対物レンズと、前記対物レンズを介して前記被測定物に集光する光へ波面収差を付与する手段と、前記対物レンズと前記被測定物との相対距離を光軸方向に対して変化させる機構と、前記被測定物に集光した光の反射光を受光する検出器と、検出された受光ピーク位置から、複数の界面を持つ前記被測定物の界面の位置を求める処理手段を備え、前記波面収差を付与する手段は、位相変調面を有し、前記位相変調面を前記対物レンズの後側焦点に結像する光学系を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように、本発明の界面の位置測定方法によれば、複数の界面を持つ被測定物の隣接する界面の位置を測定する際、屈折率の違いにより生じる収差を補正することで、界面の位置を高精度に求める情報を得ることが可能となる。
【００１２】
また、本発明の位置測定装置によれば、共焦点光学系に、波面収差を付与する手段を備えることで、屈折率の違いにより生じる収差を打ち消し、さらに被測定物の界面の位置を求める処理手段を備えることで、高精度な被測定物の界面の位置測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明を行う。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は本発明の界面の位置測定装置の構成図、図２は本発明の界面の位置測定装置における位相変調素子の構成図、図３は本発明の界面の位置測定装置で対象とする被測定物の断面図を示す。
【００１５】
図１に記載の１は、半導体レーザを用いた平行光を出射する光源である。光源１から出射された出射光は、直線偏光であり、偏光方向は、紙面に対して平行方向である。光源１の出射方向を光軸１９とする。２は、ビームエクスパンダであり、光軸１９上に配置し、光源１からの出射光を拡大平行光束にする。３は、ハーフミラーであり、光分割面が光軸１９に対して約４５度になるように配置する。光分割面には、金属膜と誘電体多層膜あるいは複合構成の膜が形成され、入射光のほぼ１／２を透過し、残り１／２を反射させる。ハーフミラー３によりエクスパンダ２からの出射光は、光軸１９から９０度の方向に反射する。
【００１６】
次に４は、位相変調素子で、詳しくは図２に示した構成となる。２枚の対向した基板２２と２８の間に液晶２５が封入されている。基板２２は平行平面ガラス基板で、液晶側には電極２３および配向膜２４が形成されており、基板２８の液晶側には電極２７および配向膜２６が形成されている。配向膜はラビングして液晶分子が一定方向に向くようにしてあり、配向膜２４と配向膜２６のラビング方向は平行で、紙面に対して平行方向である。
【００１７】
この位相変調素子４は、図１に示したようにハーフミラー３を出射した光の光軸２０上に配置し、ハーフミラー３からの反射光が液晶２５に垂直に入射するようにする。位相変調素子４に入射した光は位相変調した後、光軸２０方向に出射する。この時の出射光の偏光方向は紙面に対して平行方向である。光の位相の変調は、液晶の誘電率異方性と屈折率異方性を利用して行う。液晶２５の分子は、配向膜２４と配向膜２６のラビング方向に沿って配向しているが、電極２３と電極２７との間に電圧を加えると、液晶分子は電界によって起き上がる。電圧をかけた液晶２５に光を入射させると、電圧をかけていない状態での液晶分子の配向方向に平行な直線偏光に対しての光路長が変わり、光の位相を変えることができる。電極２３は膜状の電極で、電極２７にはＸ軸方向とＹ軸方向の２方向に導線が張り巡らされており、ＸとＹの２方向から電圧をかけることで、交点の液晶（画素）を駆動する。液晶の駆動方式は、各画素にアクティブ素子を配置するアクティブマトリクス方式を用いる。アクティブ素子は、Ｘ軸方向の導線の電圧によってＯＮ／ＯＦＦ状態が切り替わり、アクティブ素子がＯＮの状態にあるときにＹ軸方向にも電圧をかけると、交点にある液晶が点灯することを利用して、目的の液晶のみを確実に動作させることができるため、コンピュータ１８を用いて、印加電圧を制御することで位相変調量を制御することが可能である。５は温度センサであり、液晶２５の温度を測定する。温度センサ５は、基板２２または基板２８の、液晶側の光の照射しない場所もしくは裏面に設置する。
【００１８】
次に図１に示した６は、レンズであり、光軸２０がレンズ６に垂直に通るようにし、位相変調素子４の液晶２５が後側焦点となる位置に配置する。７は、レンズであり、光軸２０がレンズ７に垂直に通るようにし、レンズ６の前側焦点とレンズ７の後側焦点が一致する位置に配置する。位相変調素子４の液晶２５からの出射光は、レンズ６を通過して光束となり、レンズ７を通過してレンズ７の後側焦点に結像する。８は、偏光ビームスプリッタで、光分割面が光軸２０に対して４５度になるように配置する。偏光ビームスプリッタ８の光分割面には誘電体多層膜が形成され、入射光の紙面に対して水平偏光成分を透過し、垂直偏光成分を光軸から９０度方向に反射する。９は１／４λ波長板で、水晶結晶でできており、光軸２０上の偏光ビームスプリッタ８近傍に配置し、偏光ビームスプリッタ８からの出射光の偏光方向に対して４５度方向にする。偏光ビームスプリッタ８からの透過光（水平偏光）は、１／４λ波長板９を通過し、円偏光となる。１０は対物レンズで、光軸２０が対物レンズ１０に垂直に通るようにし、後側焦点がレンズ７の前側焦点となる位置に配置する。
【００１９】
また、レンズ６とレンズ７により、位相変調素子４の液晶２５での位相変調波面は、フレネル回折の影響を受けることなく、対物レンズ１０に転写される。測定には、被測定物１３の界面に形成されている周期Ｔｐの溝構造による光の回折の影響を避けるため、下記の式（１）の関係を満たす、開口数ＮＡの対物レンズ１０および波長λの光源１を用いる。
【００２０】
【数１】
0004609257.tif 000002
【００２１】
以下に図４を用いて対物レンズ１０の開口数ＮＡについて詳しく説明する。対物レンズ１０から出射する光の被測定物１３への入射角をａ、被測定物１３内の溝面４１への入射角をｂ、溝面４１からの反射回折角をｃ、被測定物１３の屈折率をｎとすると、
スネルの法則より  ｓｉｎａ＝ｎｓｉｎｂ
【００２２】
【数２】
0004609257.tif 000003
【００２３】
対物レンズの開口数より  ＮＡ＝ｓｉｎａmax
であり、溝面４１からの反射回折光が対物レンズ１０の開口内に戻らないためには、対物レンズ１０からの最大角ａmaxでの入射光による１次回折光が対物レンズ１０の開口内に入らない条件、つまり被測定物１３内の溝面４１への入射角ｂよりも溝面４１からの反射回折角ｃが大きくなるｓｉｎｃ≧ｓｉｎｂを満たせば良い。よってこれらの式より、
【００２４】
【数３】
0004609257.tif 000004
【００２５】
ｍ＝１のとき、すなわち一次回折光のとき左辺が最も小さくなるので、λ／Ｔp≧２ＮＡ  を満たしておくことにより、被測定物１３の界面に形成されている周期Ｔｐの溝構造による光の回折の影響を避けることができる。
【００２６】
また、図１の１１はピエゾであり、電圧の印加により変形する圧電素子を用いており、コンピュータ１８により印加電圧を制御することでピエゾの移動量を制御することができる。１２は、測長センサで例えば静電容量センサであり、ピエゾの変位量を測定する。対物レンズ１０はピエゾ１１に取り付け、ピエゾ１１の駆動とともに光軸２０上を走査し、対物レンズ１０と被測定物１３との相対距離を変える。
【００２７】
また、被測定物１３は、図３に示すように複数の界面を持ち、少なくとも１つの界面が周期Ｔｐの溝構造を有しており、被測定物中の屈折率は一様で、界面には非常に薄い反射膜が形成されている。被測定物１３中の界面と界面にはさまれている層を中間層とする。被測定物１３は、対物レンズ１０からの出射光が垂直に入射するよう配置する。対物レンズ１０からの出射光（円偏光）は被測定物１３内の界面で反射する。反射することで円偏光の回転方向は逆向きとなるため、対物レンズ１０を通過し、１／４λ波長板９を透過した光は紙面に対して垂直方向の直線偏光となる。１／４λ波長板９を透過した光は偏光ビームスプリッタ８で光軸２０から９０度の方向に反射し、光軸２１方向に出射する。１４は結像レンズで、偏光ビームスプリッタ８の近傍に配置し、光軸２１が結像レンズ１４に垂直に通るようにする。１５はピンホールで、光軸２１がピンホール中央に垂直に通るようし、結像レンズ１４の前焦点位置に配置する。１６は受光素子で、フォトダイオードを用い受光量を電気信号に変換する。受光素子１６はピンホール１５の近傍に配置し、光軸２１が受光面中央に垂直に通るようにする。１７は電流増幅器で、出力アンプおよびゲイン制御回路を備えており、受光素子１６からの電気信号をコンピュータ１８にデジタル値として出力する。ピンホール１５と受光素子１６は、迷光を防ぐための遮断カバーにより、一体化する。
【００２８】
このような構成の被測定物の界面の位置測定装置により、複数の界面を持ち、少なくとも１つの界面が周期Ｔｐの溝構造を有する被測定物の中間層の厚さ情報を、界面の反射膜位置を測定し得ることができる。以下にその原理を説明する。
【００２９】
ピエゾ１１により対物レンズ１０が光軸２０上を走査することで、対物レンズ１０の焦点と被測定物１３との光軸２０上での相対距離が変化する。対物レンズ１０の前側焦点が被測定物１３の表面に位置したときに、被測定物１３の表面からの反射光は、対物レンズ１０、偏光ビームスプリッタ８を通過し、結像レンズ１４により集光され、ほとんどの光がピンホール１５を通過する。このときに受光素子１６での受光量が最大となる。一方、対物レンズ１０の前側焦点が被測定物１３の表面からずれた位置にあるときは、被測定物１３の表面からの反射光は、上記光路を経て結像レンズ１４により集光されるが、その位置はピンホール１５からずれるため、一部の光しかピンホール１５を通過することができず、受光素子１６での受光量は著しく低下する。
【００３０】
従って、図５（ａ）に示すように被測定物１３の表面の任意の点において、ピエゾ１１を駆動させ光軸２０上で対物レンズ１０を動かしながら、図５（ｄ）に示すように受光素子１６での受光量を検出していき、その受光量が最大となるときのピエゾ１１の位置（対物レンズ１０の前側焦点と被測定物１３との光軸２０上での相対距離）を被測定物の表面の位置情報として得ることができる。次に、図５（ｂ）（ｃ）に示すようにピエゾ１１を駆動し光軸２０上で対物レンズ１０をさらに被測定物１３に近づけていき、対物レンズ１０の前側焦点が被測定物１３の１番目の中間層界面に位置したときに、被測定物１３の第１中間層界面からの反射光のほとんどが、受光素子１６に到達し受光量が大きくなる。このときのピエゾ１１の位置を被測定物１３の第１中間層界面の位置情報としてえることができ、被測定物１３の表面と第１中間層界面との位置情報より、１番目の中間層の厚さ情報が得られる。このように、ピエゾ１１の駆動による受光素子１６での受光量のピーク位置の検出により、被測定物１３の中間層の厚さ情報が得られる。
【００３１】
しかし、対物レンズ１０により集光される光は、被測定物１３の中間層を透過する際、屈折率の違いにより収差が生じ、図６（ａ）に示すように焦点での集光スポットは一点ではなくぼやけた像になる。従って、受光素子１６での受光量のピークもだれた形状となり、測定精度が劣化する。そこで中間層の厚さに応じて、図６（ｂ）に示すように生じる収差を打ち消すような位相変調量を、あらかじめ位相変調素子４で付与しておくことで、高精度な中間層界面の位置情報を得ることが可能となる。
【００３２】
被測定物１３の界面位置を測定するときに必要となる位相変調量を、図７を用いて説明する。図７において、対物レンズ１０から被測定物１３への入射する球面波Ｃ5Ａ１Ｂ１は、中間層を透過し界面で反射して対物レンズ１０に戻る。波面中心を対物レンズ１０の焦点位置Ｃ4、半径を対物レンズ１０の焦点距離ｆで描いた参照球面をＣ6Ａ4Ｂ4とし、光学距離Ｂ１Ｂ2Ｂ3Ｂ4と光軸上の光学距離Ａ１Ａ2Ａ3Ａ4を求め、２つの光学距離の差ｗを  
【００３３】
【数４】
0004609257.tif 000005
【００３４】
を求める。このｗが被測定物１３で生じる収差となる。対物レンズ１０の主点から被測定物１３の表面までの距離をＳ、被測定物１３の表面から中間層界面までの距離をｔ、被測定物１３の屈折率をｎ、対物レンズ１０からの光線Ｂ１Ｂ2の光軸Ａ１Ａ4に対する角度をθ、光線Ｂ１Ｂ2の被測定物での屈折後の光線Ｂ2Ｂ3の光軸Ａ１Ａ4に対する角度をθ’とし、θ’はスネルの法則よりｓｉｎθ＝ｎｓｉｎθ’から求められる。図７より
【００３５】
【数５】
0004609257.tif 000006
【００３６】
となり、Ｃ3Ｂ4とＣ4Ｂ4とのなす角をεとすると、εは十分小さいとしてＣ3Ｂ4≒ｆと近似し、収差ｗは式（３）となる。
【００３７】
【数６】
0004609257.tif 000007
【００３８】
対物レンズ１０に入射した平面波は被測定物１３の界面で反射し、再び対物レンズ１０を通ることで、式（３）の収差をもつ波面となる。そこでこの収差ｗを打ち消すように、対物レンズ１０の入射光に位相変調量−ｗをあらかじめ位相変調素子４で加えておくことで、被測定物１３の界面からの反射光は、対物レンズ１０を通過し平行光となり、結像レンズ１４で集光して受光面１６で微小スポットとすることができ、高精度な中間層界面の位置情報を得ることが可能となる。ここでは、位相変調素子４の位相制御分解能を有効に使うため、位相変調の最大値と最小値の差△ｗ＝ｗmax−ｗminを小さくする。
【００３９】
また、図８の（ａ）および（ｂ）は位相変調の一例としてＮＡ＝０．８０の対物レンズを用いｎ＝１．５、ｔ＝０．１とした場合を示しており、図８（ａ）は光線Ｂ１Ｂ2の光軸Ａ１Ａ4に対する角度と収差量の関係、図８（ｂ）は対物レンズ１０の主点と被測定物１３の表面との距離と位相変調量の関係である。対物レンズ１０から被測定物１３へ入射する光線Ｂ１Ｂ2において、光軸上ではθ＝０、開口端ではθ＝θmとなる。なお開口数ＮＡ＝ｓｉｎθmである。対物レンズ１０と被測定物１３の表面との距離をｆ−Ｓとして、図８（ａ）は横軸に光線Ｂ１Ｂ2の光軸Ａ１Ａ4に対する角度θ、縦軸に収差ｗをとったグラフであり、収差ｗは光源の波長λ＝６３２．８ｎｍで正規化している。ここで０＜θ＜θmで示される開口内での収差ｗの最大値から最小値を引いた大きさを、位相変調量の大きさ△ｗとして示したものの一例が図８（ｂ）である。位相変調量の大きさ△ｗは、
開口端θmにおける収差ｗ（θm）が開口中心における収差ｗ（θ＝０）と等しくなるときに最小となることを示す。そこでｗ（θ＝０）＝０であるので、ｗ（θm）＝０とおいたときの、対物レンズ１０の主点から被測定物１３の表面までの距離ＳをＳmとおいて式（３）を用いて解くと、
【００４０】
【数７】
0004609257.tif 000008
【００４１】
となる。つまりｗ（θ0，Ｓ0）＝ｗ（θm，Ｓm）となる位置Ｓmにおいて収差ｗ（θm，Ｓm）＝ｗmax−ｗ0を補正する。位相変調素子４で補正する位相変調量を小さくすることで、位相変調素子４での液晶分解能は同等のままで、位相変調量を細かく設定できるようになり、高精度な位相変調が可能となる。
【００４２】
位相変調を行う液晶２５は、図９に示すようにｋ＝ｋ（Ｔ）で表される温度特性があるため、位相変調量−ｗに液晶２５の温度による影響の補正を行う。位相変調量−ｗに液晶２５の温度補正を行ったものを−ｗ’とすると、あらかじめ温度センサ５により液晶２５の温度と位相変調量との関係を調べた補正テーブル（ｋ＝ｋ（Ｔ））を用意し、ｗ’＝ｗ／ｋ（Ｔ）とすることで、温度補正した位相変調量−ｗ’が求まり、位相変調量−ｗ’をあらかじめ位相変調素子４で加えておくことで、液晶２５の温度による影響を受けない高精度な中間層界面の位置情報を得ることが可能となる。
【００４３】
次に得られた中間層界面の位置情報を基に、被測定物の中間層の厚さを求める処理方法を図１０を用いて説明する。被測定物表面位置をＬ0、被測定物表面位置に相当する受光ピーク位置をｚ0、推定界面位置をＬ１、推定界面位置に相当する推定受光ピーク位置をｚ１とし、推定界面位置Ｌ１を測定するために補正する収差量（位相変調量）を−ｗ１とする。工程１として、表面位置に相当する受光ピーク位置ｚ0を検出する。工程２、工程３では、測定対象界面の推定界面位置Ｌ１に相当する推定受光ピーク位置ｚ１より、表面から中間層界面までの距離ｔを（ｚ１−ｚ0）として、式（３）から位相変調量−ｗ１を算出する。工程４では、対物レンズに入射する光に位相変調素子で位相変調量−ｗ１を付加する。工程５では、位相変調量−ｗ１を付加した光で受光ピーク位置ｚ１’を検出し、工程６では、推定受光ピーク位置ｚ１と検出した受光ピーク位置ｚ１’とのずれ量（ｚ１’−ｚ１）を求める。ここで、あらかじめ受光ピークの推定値と実測値とのずれ量と、真の界面位置と推定界面位置との差との関係を求めた補正テーブルを用意しておくことで、工程６で求めるずれ量から測定対象界面の位置を求めることができる。測定対象界面の位置と測定物表面の位置との差が、中間層の厚さとなる。
【００４４】
次に、補正テーブルの作成方法を詳しく説明すると、表面から距離ｔ2にある界面の界面位置をＬ2とし、界面位置Ｌ2を測定する際生じる収差量をｗ2とする。この時の収差量
【００４５】
【数８】
0004609257.tif 000009
【００４６】
である。次に界面位置Ｌ2から距離△ｔ離れた位置での収差量ｗ2＋△ｗとすると、△ｔ
の位置変化による収差の変化量△ｗは式（３）より
【００４７】
【数９】
0004609257.tif 000010
【００４８】
となる。つまりある推定界面位置Ｌに対して真の界面位置Ｌ＋△ｔの時、収差△ｗが
生じ、受光ピーク位置は推定値ｚに対して実測値ｚ’となり（ｚ’−ｚ）ずれる。この受光ピーク位置のずれ量は、収差の変化量により決まり、式（５）より任意の基準界面からの距離ｔには依存しない。従って補正テーブルは、ある１つの表面から距離ｔにおける界面位置で、受光ピークの推定値と実測値とのずれ量と、真の界面位置と推定界面位置との差との関係を求めればよい。そこで簡単のために、補正テーブルはｔ＝０で作成する。
【００４９】
また位相変調波面を表示する液晶２５と対物レンズ１０との距離が離れている場合、フレネル回折が起こり、位相変調波面は対物レンズに正確に転写されない。そこで、液晶２５と対物レンズとの間にレンズ６とレンズ７を前記位置に配置することで、液晶２５で表示される位相変調波面は、レンズ６の前側焦点かつレンズ７の後側焦点で結像し、レンズ７を通過して平行光束となり出射し、対物レンズ１０に入射するため、液晶２５で表示された位相変調波面が対物レンズ１０に転写され、正確な球面収差補正を行うことができる。
【００５０】
被測定物１３の中間層の厚さ情報は、受光素子１６での受光量検出により得ているため、光学系における光のロスを減らすことで、受光素子１６での受光量のピークが高く細くなり、測定精度が向上する。そこで光源１の偏光方向と位相変調素子４の配向膜２４および配向膜２６のラビング方向を一致させ、光は紙面に対して水平偏光とする。位相変調素子４からの出射光（水平偏光）は、偏光ビームスプリッタ８をほぼ完全に透過し、１／４λ波長板９で円偏光に変わる。そして被測定物１３で反射し逆回転方向の円偏光となり、再び１／４λ波長板９を通過し、紙面に対して垂直偏光となる。１／４λ波長板９からの出射光（垂直偏光）は偏光ビームスプリッタ８でほぼ完全に反射されるため、被測定物からの反射光は位相変調素子４からの出射光の影響を受けることなく、受光素子１６の方向に進む。
【００５１】
以上のような構成・手段により、複数の界面を持ち、少なくとも１つの界面が周期Ｔｐの溝構造を有する被測定物の透明基板の界面の位置を測定する際、屈折率の違いにより生じる球面収差量をあらかじめ算出し、それを打ち消すような補正を対物レンズへの入射光にかけておくことで、高精度な中間層を構成する界面の位置情報を得ることが可能となる。
【００５２】
なお、光源１は半導体レーザとしたが、他のレーザ、例えばガスレーザや、波長変換素子を介したレーザ光源でもよい。
【００５３】
なお、光源１は半導体レーザとしたが、白色光を光源として発光径を小さくし波長域を制限したものでもよい。
【００５４】
なお、位相変調素子４は、電圧を制御することで位相変調量を制御するとしたが、光書き込みによる位相変調量の制御を行うものでもよい。
【００５５】
なお、位相変調素子４は、反射型の液晶としたが、透過型の液晶や三角プリズムを組み合わせたもの、二枚のガラスの間に被測定物と屈折率が同じ媒質を封入したものでもよい。
【００５６】
なお、収差ｗを求める際、対物レンズの主点と被測定物表面との距離Ｓを球面波の中心部（ｒ＝０，  θ＝０）と端部（ｒ＝ｒm，  θ＝θm）との位相が等しくなるように設定したが、任意の値でもよい。
【００５７】
なお、対物レンズ１０の変位機構としてピエゾ１１を用いるとしたが、積層圧電素子またはステッピングモータを用いてもよい。
【００５８】
なお、測長センサ１２はストレインゲージを用いた測長手段や干渉を用いた測長手段でも良い。
【００５９】
なお、被測定物１３は複数の界面を持ち、少なくとも１つの界面が周期的な溝構造を有するとしたが、界面が溝構造を有さないものでもよい。
【００６０】
また、ピエゾ１１の走査範囲は、レンズ７の前焦点距離に比べ非常に小さく、レンズ６とレンズ７により対物レンズ１０の後ろ焦点に結像した、位相変調素子４の位相変調波面の劣化はほとんどない。
【００６１】
（実施の形態２）
図１１は、本発明の実施の形態２における界面の位置測定装置の模式図である。
【００６２】
図１１において、１０１は、レーザ光を拡大し平行光化した光を射出する光源であり、紙面に垂直な方向をｙ軸、紙面に水平（平行）な方向をｘ軸とすると、図１２に示すように、ｘ軸に対して角度θの直線偏光１１５を射出する。１０２は、ハーフミラーである。１０３は、液晶位相変調素子であり、画素構造を有し、紙面に対して平行方向に液晶を配向させた反射型液晶パネルの各画素に電圧を印加することで各画素ごとに光路長を変化させ、入射した光の位相を変化させる。
【００６３】
図１３、図１４は液晶位相変調素子１０３への電圧印加による光路長の変化を示す図である。１１８は、ガラス基板であり、１１９は、ガラス基板に形成された電極であり、１２０は液晶である。電極１１９の上には、液晶分子を配向させる配向膜が形成される。配向膜のラビングは、互いに平行となるように形成され液晶１２０はガラス基板１１８間で平行に配向する。電極１１９間に電圧を加えることで、液晶分子が電極方向に傾く。液晶分子は１軸の屈折率異方姓を持つので、紙面に平行な方向の偏光に対しては、液晶分子の傾きにより光路長が変化する。一方、紙面に垂直な偏光に対しては、液晶分子の傾きによらず光路長が変化しない。すなわち、図１４に示すように、液晶位相変調素子１０３の液晶への印加電圧により図１１、１３の紙面に平行な方向の偏光に対しては、光路長が変化するのに対し、紙面に対して垂直な方向の偏光に対しては、光路長が変化しない。
【００６４】
レーザ光源１０１の射出光は、ハーフミラー１０２を透過し、液晶位相変調素子１０３で反射したのち再びハーフミラー１０２に入る。１０４はリレーレンズであり、液晶位相変調素子１０３を反射しさらにハーフミラー１０２を反射した光を入射光とする。１０５はハーフミラーであり、１０６は対物レンズである。リレーレンズ１０４は、液晶位相変調素子１０３の液晶面の像をハーフミラー１０２、ハーフミラー１０５を介して対物レンズ１０６の後ろ側焦点面に結像する。１０７はピエゾ素子であり、対物レンズ１０６を光軸方向に走査する。１０８は、被測定物であり、図１５に被測定物の構造を示す。被測定物１０８は、透明樹脂１２５の間に、非常に薄い半透過反射界面１２４を形成したものである。
【００６５】
対物レンズ１０６により集光された光は、被測定物１０８の表面および内部の半透過反射膜で反射し、再び対物レンズ１０６で広げられ、ハーフミラー１０５に入射する。１０９は、集光レンズであり、対物レンズ１０６を射出しハーフミラー１０５で反射した光を入射光とする。１１０はピンホールであり、集光レンズ１０９の焦点面に配置される。１１１はコリメートレンズであり、ピンホール１１０を通過した光を平行光化する。１１２は偏光ビームスプリッタ（以下ＰＢＳとする）であり、紙面に垂直な偏光を透過し、水平な偏光を反射する。１１３は、第２の受光部であり、ＰＢＳ１１２を透過した紙面に水平な水平偏光１１６を入射光とする。１１４は、第１の受光部であり、ＰＢＳ１１２で反射した紙面に垂直な垂直偏光１１７を入射光とする。
【００６６】
光源１の偏光方向θは、被測定物である被測定物１０８の表面と内部の半透過反射界面での反射率にしたがって定める。たとえば、表面と半透過反射界面での反射率が等しいときは、４５度とする。
【００６７】
以上のように構成された界面の位置測定装置において、
光源１０１から射出された光の中で紙面に平行な偏光成分は、液晶位相変調素子１０３において、液晶に表示されたパターンに従って位相変調される。液晶に表示するパターンは、被測定物１０８の表面から計測しようとする半透過反射界面までの距離に対応する球面収差量の２倍となり、かつ球面収差を無くす逆の収差となるようにする。液晶位相変調素子１０３で表示されたパターンは、リレーレンズ１０４により対物レンズ１０６の後ろ側焦点面に結像される。対物レンズ１０６に入射した光は、被測定物１０８の計測対象面で反射し、再び対物レンズでコリメートされる。予め液晶位相変調素子１０３で、被測定物１０８で生じる球面収差の逆の収差を加えているので、対物レンズ１０６の射出光はフォーカス位置で平行光となる。対物レンズ１０６の射出光は、集光レンズ１０９により集光し、ピンホール１１０を通過する。ＰＢＳ１１２では、水平偏光は、透過するのですべて第２の受光部１１３に入射する。対物レンズ１０６は、ピエゾ素子１０７により光軸方向に走査されるので、ジャストフォーカス位置を中心にピンホール１１０を通過する光量が減少することとなる。図１６（ｂ）にピエゾ素子１０７の走査による第２の受光部１１３での光強度を示す。多層基板の中間反射面からの反射光の球面収差を取り除いているので、中間反射面での光強度ピークは鋭くでるが、逆に、表面では、球面収差が生じ、光強度ピークが低く歪が生じる。
【００６８】
一方、光源１０１から射出された光の中で、紙面に垂直な成分は、液晶位相変調素子１０３では、位相変調を受けない。対物レンズ１０６に入射した光は、集光レンズ１０９で集光されピンホー１ル１０を通過し、ＰＢＳ１１２で反射し、第１の受光部１１４に入射する。紙面に垂直な偏光成分は、液晶位相変調素子１０３で位相変調を受けないので、被測定物１０８の表面での反射のときに最も光強度ピークが大きくなる。
【００６９】
よって、被測定物１０８の中間反射面の位置を測定するときの基準となる表面を計測するときは、第１の受光部１１４の光強度ピークを用い、被測定物１０８の半透過反射界面（中間反射面）の位置を計測するときは、第２の受光部１１３の光強度ピークを用いることにより、液晶位相変調素子の球面収差補正量を変更せずに、表面と半透過反射界面との距離を計測することができる。一般に液晶で表示パターンを変更するときには、数１０ｍｓｅｃの時間を要し、この間に、被測定物１０８と、計測光学系との距離が変わると、その変動量が直接測定誤差となり、計測精度を悪化させてしまうが、球面収差を補正する液晶の表示パターンの書き換えをなくすことで、ピエゾ素子１０７の走査の最大速度まで早くすることができ、計測中の被測定物と測定光学系との相対位置ずれを低減し、高精度な  計測を行うことができる。
【００７０】
また、振動に強くなるので、光学系の保持や防振台を簡略にでき、装置の小型化、低コストも可能となる。なお、本実施の形態２において、光源１０１の射出光の偏光を斜め方向の直線偏光としたが、円偏光でもよい。
【００７１】
なお、図１１ではハーフミラーおよびＰＢＳをキューブ形としたが、プレート形でもかまわない。なお、液晶位相変調素子１０３の配置を対物レンズ１０６の入射光側に配置したが、射出光側に配置してもよい。なお、対物レンズ１０６の走査をピエゾ素子１０７で行ったが、リニアステージで走査してもよい。なお、光源を直線偏光としたが、円偏光としても、被測定物の表面と界面との反射率が近ければ測定可能である。なお、液晶位相変調素子は、光書き込み型でもかまわない。なお、対物レンズと被測定物との相対的な距離を変える手段として、被測定物側を動かすステージを用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、複数の界面を持つ被測定物の隣接する界面の位置を測定することができるため、多層化された光ディスクの界面間距離などの管理に適応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態１における位置測定装置を示す概略構成図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１における位相変調素子における液晶と電圧との関係を示す図（ｂ）本発明の実施の形態１における位相変調素子における液晶と電圧との関係を示す図
【図３】本発明の実施の形態１における被測定物の構成の一例を示す図
【図４】回折光による対物レンズＮＡの制限を説明する図
【図５】（ａ）ピエゾの移動量（対物レンズの位置情報）の一例を示す図（ｂ）ピエゾの移動量（対物レンズの位置情報）の一例を示す図（ｃ）ピエゾの移動量（対物レンズの位置情報）の一例を示す図（ｄ）ピエゾの移動量（対物レンズの位置情報）と受光量（光強度）の関係を示す線図
【図６】（ａ）球面収差の生じた波面の断面図（ｂ）球面収差を補正する位相変調波面の一例を示す図
【図７】位相変調量を説明する図
【図８】（ａ）光線の光軸に対する角度と収差量の関係と示す図（ｂ）対物レンズと被測定面との距離と位相変調量との関係を示す図
【図９】液晶の温度特性を示す図
【図１０】界面の位置測定の工程図
【図１１】本発明の実施の形態２における位置測定装置の模式図
【図１２】（ａ）光の偏光状態を示す図（ｂ）液晶素子の位相変調方向を示す図（ｃ）第２の受光部の光の偏光方向を示す図（ｄ）第１の受光部の光の偏光方向を示す図
【図１３】（ａ）液晶素子の電圧が加えられていないときの動作を示す図（ｂ）液晶素子の電圧が加えられているときの動作を示す図
【図１４】液晶による光路長変化を示す図
【図１５】被測定物の構造を示す図
【図１６】（ａ）第１の受光部における光強度ピークを示す図（ｂ）第２の受光部における光強度ピークを示す図
【図１７】従来の界面の位置測定装置を示す図
【符号の説明】
【００７４】
１      光源
２      エクスパンダ
３      ハーフミラー
４      位相変調素子
５      温度センサ
６      レンズ
７      レンズ
８      偏光ビームスプリッタ
９      １／４λ波長板
１０    対物レンズ
１１    ピエゾ
１２    測長センサ
１３    被測定物
１４    結像レンズ
１５    ピンホール
１６    受光素子
１７    電流増幅器
１８    コンピュータ
１９    光軸
２０    光軸
２１    光軸
１０１  光源
１０２  ハーフミラー
１０３  液晶位相変調素子
１０４  リレーレンズ
１０５  ハーフミラー
１０６  対物レンズ
１０７  ピエゾ素子
１０８  被測定物
１０９  集光レンズ
１１０  ピンホール
１１１  コリメートレンズ
１１２  ＰＢＳ
１１３  第２の受光部
１１４  第１の受光部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0004609257.tif 000022
【図１３】
0004609257.tif 000023
【図１４】
0004609257.tif 000024
【図１５】
0004609257.tif 000025
【図１６】
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【図１７】
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