(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性を有する複数の層が積層された基板に対して、フレネル円筒レンズを用いた第１の光学系、又は円筒レンズ及び回折格子を用いた第２の光学系、を介した光を照射し、
上記基板表面に平行なＸ方向と上記基板表面に垂直なＺ方向とにおいて、上記照射された光により複数の集光点をそれぞれ異なる座標に直線状に形成し、
その後、上記照射された光が上記基板内で反射した光の光強度を測定して、上記光強度が閾値を超えている位置を上記層間の界面位置として測定する、界面位置測定方法。
【請求項２】
上記照射された光により形成された上記複数の集光点を、上記Ｚ方向において等間隔に配置する、請求項１に記載の界面位置測定方法。
【請求項３】
上記照射された光により形成された上記集光点を、上記Ｚ方向において上記基板から離れたそれぞれの位置に、少なくとも１つずつ配置する、請求項１または２に記載の界面位置測定方法。
【請求項４】
上記照射された光の光路長が上記複数の集光点において全て等しくなるように、上記複数の集光点を配置する、請求項１から３のいずれか１つに記載の界面位置測定方法。
【請求項５】
上記複数の集光点により形成される線状の集光点列を、上記層と交差させて配置する、請求項１から４のいずれか１つに記載の界面位置測定方法。
【請求項６】
上記Ｚ方向における上記集光点の間隔が予め設定された界面間の距離と等しくなるように、上記複数の集光点を配置する、請求項１から５のいずれか１つに記載の界面位置測定方法。
【請求項７】
上記第２の光学系を介した光は、上記円筒レンズを介した光が上記回折格子において反射又は透過した光である、請求項１から６のいずれか１つに記載の界面位置測定方法。
【請求項８】
上記照射された光をその光軸が互いに平行な２光束に分割し、その後、上記２光束を上記基板に照射する、請求項１から７のいずれか１つに記載の界面位置測定方法。
【請求項９】
回折格子に円筒レンズを介した光を照射して上記回折格子上に複数の第１集光点を直線状に配置し、
光透過性を有する複数の層が積層された基板の表面に平行なＸ方向と上記基板表面に垂直なＺ方向とにおいて、上記複数の第１集光点が上記回折格子にて回折された光により形成される複数の第２集光点をそれぞれ異なる座標に直線状に配置し、
その後、上記回折格子からの光が上記基板内で反射した光の光強度を測定して、上記光強度が閾値を超えている位置を上記層間の界面位置として測定する、界面位置測定方法。
【請求項１０】
上記照射された光が上記基板表面で反射した光の受光位置に基づいて上記受光位置と上記基板表面における反射位置との距離を求め、
上記距離が一定になるように上記受光位置と上記反射位置の間の光学系の配置を調整する、請求項１から９のいずれか１つに記載の界面位置測定方法。
【請求項１１】
上記照射された光が上記基板表面で反射した光の受光位置に基づいて上記受光位置と上記基板表面における反射位置との距離を求め、
上記複数の集光点により形成される直線状の集光点列と平行な方向に移動させ、上記距離が一定になるように上記受光位置と上記反射位置との間の光学系の配置を調整する、請求項１から９のいずれか１つに記載の界面位置測定方法。
【請求項１２】
光透過性を有する複数の層が積層された基板に対して、フレネル円筒レンズを用いた第１の光学系、又は円筒レンズ及び回折格子を用いた第２の光学系、を介した光を照射し、
上記基板表面に平行なＸ方向と上記基板表面に垂直なＺ方向とにおいて、上記照射された光により形成された複数の集光点をそれぞれ異なる座標に直線状に配置し、
その後、上記照射された光が上記基板内で反射した光の光強度を測定して、上記光強度が閾値を超えている位置を上記層間の界面位置として測定し、
隣り合う上記界面位置の間隔を上記基板の層厚とする、層厚測定方法。
【請求項１３】
上記照射された光の光軸と上記基板表面との相対角度を計測し、
上記相対角度、上記界面位置の間隔、及び上記各層の屈折率に基づいて上記層厚を測定する、請求項１２に記載の層厚測定方法。
【請求項１４】
同一の光軸で上記基板に照射される第１の光と第２の光とを用いて、上記光軸と上記基板表面との相対角度を計測し、
上記相対角度、上記界面位置の間隔、及び上記各層の屈折率に基づいて上記層厚を測定する、請求項１２または１３に記載の層厚測定方法。
【請求項１５】
上記基板が光ディスクであり、上記光ディスクに上記複数の層を形成した後、請求項１２から１４のいずれか１つに記載の層厚測定方法で上記光ディスクの層厚を測定し、
測定した上記光ディスクの層厚が閾値を超えている場合に、上記光ディスクをその製造工程から外す、光ディスクの製造方法。
【請求項１６】
上記基板が光ディスクであり、上記光ディスクに上記複数の層を形成した後、請求項１２から１４のいずれか１つに記載の層厚測定方法で上記光ディスクの層厚を測定し、
測定した上記光ディスクの層厚が閾値を超えている場合に、上記光ディスクを廃棄する、光ディスクの製造方法。
【請求項１７】
光透過性を有する複数の層が積層された基板に対して光を照射する光源と、
上記光源からの光を集光する円筒レンズと、
上記円筒レンズで集光された光を回折して、回折された光により複数の集光点を直線状に形成して上記基板内に上記基板表面に対して傾斜させて配置する回折格子と、
上記基板内で反射した光の光強度を測定する測定装置と、
上記光強度と閾値とを比較する制御装置とを備える、界面位置測定装置。
【請求項１８】
光透過性を有する複数の層が積層された基板に対して光を照射する光源と、
上記光源と上記基板との間において、上記基板表面と上記光源からの光の光軸とに対して傾斜して配置され、上記光源からの光により複数の集光点を直線状に形成して上記基板内に上記基板表面に対して傾斜させて配置するフレネル円筒レンズと、
上記光源からの光が上記基板内で反射した光の光強度を測定する測定装置と、
上記光強度と閾値とを比較する制御装置とを備える、界面位置測定装置。
【請求項１９】
光透過性を有する複数の層が積層された基板に対して光を照射する光源と、
上記光源と上記基板との間において、上記基板表面と平行で、かつ上記光源からの光の光軸に対して傾斜して配置され、照射された光により複数の集光点を直線状に形成して上記基板内に上記基板表面に対して傾斜させて配置する扇形のフレネル円筒レンズと、
上記基板内で反射した光の光強度を測定する測定装置と、
上記光強度と閾値とを比較する制御装置とを備える、界面位置測定装置。
【請求項２０】
上記基板と上記測定装置との間に、上記測定装置で受光した光の受光位置に基づいて光学系を調整する調整手段を更に有する、請求項１７から１９のいずれか１つに記載の界面位置測定装置。
【請求項２１】
光透過性を有する複数の層が積層された基板に対して光を照射する光源と、
上記光源からの光を集光する円筒レンズと、
上記基板表面と平行で、かつ上記光源からの光の光軸に対して傾斜して配置され、上記円筒レンズで集光された光を回折して、回折された光により複数の集光点を直線状に形成して上記基板内に上記基板表面に対して傾斜させて配置する回折格子と、
上記基板内で反射した光の光強度を測定する測定装置と、
上記光強度が閾値を超えている位置、上記光源からの光の光軸と上記基板の表面とが成す角度、及び上記層の屈折率に基づいて、上記基板の界面間の距離を層厚として算出する層厚測定手段を備える、層厚測定装置。
【請求項２２】
光ディスクを保持する保持装置と、
上記保持装置により保持された上記光ディスクを上記基板として、上記層厚を測定する請求項２１に記載の層厚測定装置と、
上記層厚測定装置により測定された上記層厚と閾値とを比較して、光ディスクの状態を特定するディスク特定手段を、更に備える、光ディスクの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の層を積層して形成された光透過性基板内の複数の界面の位置を、光学系を用いて測定する界面位置測定方法および測定装置に関するものである。本発明は、さらにこのような複数の界面位置を測定することにより層厚を測定する層厚測定方法及び測定装置、並びに、層厚測定を行って光ディスクを製造する光ディスクの製造方法及び製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
記録光源として青色レーザを採用したことにより、ＨＤ−ＤＶＤやＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ  Ｄｉｓｃ）等の光ディスクは大容量化している。それに伴い、光ディスクに記録するレーザ光源の短波長化による記録密度の向上や、大容量化を目的とした光ディスク記録面の多層化が進んでいる。また、光ディスクを回転させることにより、光ディスクに傾きや反りが発生する。その傾きや反りに対する動作の安定性確保のために、光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。このような状況において、光ディスクの層厚管理（膜厚管理）を高精度に行うために、高精度に各層間の界面を測定する技術が望まれている。
【０００３】
従来の界面位置測定装置としては、例えば、特許文献１などの共焦点の光学顕微鏡を用いるものがある。図３７は、特許文献１に記載された従来の光学顕微鏡が用いられた装置構成を示す図である。
【０００４】
図３７において、従来の界面位置測定装置は、まず、レーザ光源２１０の光をｆθレンズ２１３で点光源とし、結像レンズ２１７、対物レンズ２１８を介して試料面２３０に光を照射する。その後、試料面２３０からの反射光を結像レンズ２１７の焦点位置に配置した１次元イメージセンサ２１９で受光する共焦点光学系を構成している。この測定装置における試料の深さ測定は、共焦点光学系内に配置されたガルバノミラー２１２を駆動することで、対物レンズ２１８の焦点面に集光したレーザスポットを直線上に動かし、試料を走査する。このとき、レーザスポット走査線上に界面があると、反射光の光ピークが１次元イメージセンサ２１９の対応する位置に発生する。この光ピークを用いて、界面を測定することができる。ガルバノミラー２１２でレーザ光を走査させつつ、試料の高さを少しずつ下から上に動かすことで試料の界面を測定し、試料の断面方向の層厚や、形状を測定することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平０８−１６０３０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
昨今、ＢＤ等の光ディスクにおいては、多層化が益々進み、高速な測定を行うことが切望されている。しかしながら、特許文献１に記載の従来の界面位置測定装置の構成では、試料を上下方向に動かしながら測定する必要があり、高速な測定が難しいという課題を有している。
【０００７】
従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにある。そのため、複数の層を積層して形成された透過性基板内の複数の界面の位置を、光学系を用いて測定する界面位置測定において、試料内部の界面位置を高速に測定できる界面位置測定方法および測定装置、層厚測定方法および測定装置、並びに、光ディスクの製造方法および製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するため、以下のように構成している。
【０００９】
本発明の第１態様によれば、
光透過性を有する複数の層が積層された基板に対して、フレネル円筒レンズを用いた第１の光学系、又は円筒レンズ及び回折格子を用いた第２の光学系、を介した光を照射し、
上記基板表面に平行なＸ方向と上記基板表面に垂直なＺ方向とにおいて、上記照射された光により複数の集光点をそれぞれ異なる座標に直線状に形成し、
その後、上記照射された光が上記基板内で反射した光の光強度を測定して、上記光強度が閾値を超えている位置を上記層間の界面位置として測定する、界面位置測定方法を提供する。
【００１０】
本発明の第２態様によれば、上記照射された光により形成された上記複数の集光点を、上記Ｚ方向において等間隔に配置する、第１態様に記載の界面位置測定方法を提供する。
【００１１】
本発明の第３態様によれば、上記照射された光により形成された上記集光点を、上記Ｚ方向において上記基板から離れたそれぞれの位置に、少なくとも１つずつ配置する、第１態様または第２態様に記載の界面位置測定方法を提供する。
【００１２】
本発明の第４態様によれば、上記照射された光の光路長が上記複数の集光点において全て等しくなるように、上記複数の集光点を配置する、第１態様から第３態様のいずれか１つに記載の界面位置測定方法を提供する。
【００１３】
本発明の第５態様によれば、上記複数の集光点により形成される線状の集光点列を、上記層と交差させて配置する、第１態様から第４態様のいずれか１つに記載の界面位置測定方法を提供する。
【００１４】
本発明の第６態様によれば、上記Ｚ方向における上記集光点の間隔が予め設定された界面間の距離と等しくなるように、上記複数の集光点を配置する、第１態様から第５態様のいずれか１つに記載の界面位置測定方法を提供する。
【００１５】
本発明の第７態様によれば、上記第２の光学系を介した光は、上記円筒レンズを介した光が上記回折格子において反射又は透過した光である、第１態様から第６態様のいずれか１つに記載の界面位置測定方法を提供する。
【００１６】
本発明の第８請態様によれば、上記照射された光をその光軸が互いに平行な２光束に分割し、その後、上記２光束を上記基板に照射する、第１態様から第７態様のいずれか１つに記載の界面位置測定方法を提供する。
【００１７】
本発明の第９態様によれば、回折格子に円筒レンズを介した光を照射して上記回折格子上に複数の第１集光点を直線状に配置し、
光透過性を有する複数の層が積層された基板の表面に平行なＸ方向と上記基板表面に垂直なＺ方向とにおいて、上記複数の第１集光点が上記回折格子にて回折された光により形成される複数の第２集光点をそれぞれ異なる座標に直線状に配置し、
その後、上記回折格子からの光が上記基板内で反射した光の光強度を測定して、上記光強度が閾値を超えている位置を上記層間の界面位置として測定する、界面位置測定方法を提供する。
【００１８】
本発明の第１０態様によれば、上記照射された光が上記基板表面で反射した光の受光位置に基づいて上記受光位置と上記基板表面における反射位置との距離を求め、
上記距離が一定になるように上記受光位置と上記反射位置の間の光学系の配置を調整する、第１態様から第９態様のいずれか１つに記載の界面位置測定方法を提供する。
【００１９】
本発明の第１１態様によれば、上記照射された光が上記基板表面で反射した光の受光位置に基づいて上記受光位置と上記基板表面における反射位置との距離を求め、
上記複数の集光点により形成される直線状の集光点列と平行な方向に移動させ、上記距離が一定になるように上記受光位置と上記反射位置との間の光学系の配置を調整する、第１態様から第９態様のいずれか１つに記載の界面位置測定方法を提供する。
【００２０】
本発明の第１２態様によれば、光透過性を有する複数の層が積層された基板に対して、フレネル円筒レンズを用いた第１の光学系、又は円筒レンズ及び回折格子を用いた第２の光学系、を介した光を照射し、
上記基板表面に平行なＸ方向と上記基板表面に垂直なＺ方向とにおいて、上記照射された光により形成された複数の集光点をそれぞれ異なる座標に直線状に配置し、
その後、上記照射された光が上記基板内で反射した光の光強度を測定して、上記光強度が閾値を超えている位置を上記層間の界面位置として測定し、
隣り合う上記界面位置の間隔を上記基板の層厚とする、層厚測定方法を提供する。
【００２１】
本発明の第１３態様によれば、上記照射された光の光軸と上記基板表面との相対角度を計測し、
上記相対角度、上記界面位置の間隔、及び上記各層の屈折率に基づいて上記層厚を測定する、第１２態様に記載の層厚測定方法を提供する。
【００２２】
本発明の第１４態様によれば、同一の光軸で上記基板に照射される第１の光と第２の光とを用いて、上記光軸と上記基板表面との相対角度を計測し、
上記相対角度、上記界面位置の間隔、及び上記各層の屈折率に基づいて上記層厚を測定する、第１２態様または第１３態様に記載の層厚測定方法を提供する。
【００２３】
本発明の第１５態様によれば、上記基板が光ディスクであり、上記光ディスクに上記複数の層を形成した後、第１２態様から第１４態様のいずれかに記載の層厚測定方法で上記光ディスクの層厚を測定し、
測定した上記光ディスクの層厚が閾値を超えている場合に、上記光ディスクをその製造工程から外す、光ディスクの製造方法を提供する。
【００２４】
本発明の第１６態様によれば、上記基板が光ディスクであり、上記光ディスクに上記複数の層を形成した後、第１２態様から第１４態様のいずれかに記載の層厚測定方法で上記光ディスクの層厚を測定し、
測定した上記光ディスクの層厚が閾値を超えている場合に、上記光ディスクを廃棄する、光ディスクの製造方法を提供する。
【００２５】
本発明の第１７態様によれば、光透過性を有する複数の層が積層された基板に対して光を照射する光源と、
上記光源からの光を集光する円筒レンズと、
上記円筒レンズで集光された光を回折して、回折された光により複数の集光点を直線状に形成して上記基板内に上記基板表面に対して傾斜させて配置する回折格子と、
上記基板内で反射した光の光強度を測定する測定装置と、
上記光強度と閾値とを比較する制御装置とを備える、界面位置測定装置を提供する。
【００２６】
本発明の第１８態様によれば、光透過性を有する複数の層が積層された基板に対して光を照射する光源と、
上記光源と上記基板との間において、上記基板表面と上記光源からの光の光軸とに対して傾斜して配置され、上記光源からの光により複数の集光点を直線状に形成して上記基板内に上記基板表面に対して傾斜させて配置するフレネル円筒レンズと、
上記光源からの光が上記基板内で反射した光の光強度を測定する測定装置と、
上記光強度と閾値とを比較する制御装置とを備える、界面位置測定装置を提供する。
【００２７】
本発明の第１９態様によれば、光透過性を有する複数の層が積層された基板に対して光を照射する光源と、
上記光源と上記基板との間において、上記基板表面と平行で、かつ上記光源からの光の光軸に対して傾斜して配置され、照射された光により複数の集光点を直線状に形成して上記基板内に上記基板表面に対して傾斜させて配置する扇形のフレネル円筒レンズと、
上記基板内で反射した光の光強度を測定する測定装置と、
上記光強度と閾値とを比較する制御装置とを備える、界面位置測定装置を提供する。
【００２８】
本発明の第２０態様によれば、上記基板と上記測定装置との間に、上記測定装置で受光した光の受光位置に基づいて光学系を調整する調整手段を更に有する、第１７態様から第１９態様のいずれか１つに記載の界面位置測定装置を提供する。
【００２９】
本発明の第２１態様によれば、光透過性を有する複数の層が積層された基板に対して光を照射する光源と、
上記光源からの光を集光する円筒レンズと、
上記基板表面と平行で、かつ上記光源からの光の光軸に対して傾斜して配置され、上記円筒レンズで集光された光を回折して、回折された光により複数の集光点を直線状に形成して上記基板内に上記基板表面に対して傾斜させて配置する回折格子と、
上記基板内で反射した光の光強度を測定する測定装置と、
上記光強度が閾値を超えている位置、上記光源からの光の光軸と上記基板の表面とが成す角度、及び上記層の屈折率に基づいて、上記基板の界面間の距離を層厚として算出する層厚測定手段を備える、層厚測定装置を提供する。
【００３０】
本発明の第２２態様によれば、光ディスクを保持する保持装置と、
上記保持装置により保持された上記光ディスクを上記基板として、上記層厚を測定する請求項２１に記載の層厚測定装置と、
上記層厚測定装置により測定された上記層厚と閾値とを比較して、光ディスクの状態を特定するディスク特定手段を、更に備える、光ディスクの製造装置を提供する。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、複数の界面を内部に有する基板において、その基板の界面位置を高速に測定することができる。
【００３２】
また、傾斜角に傾斜係数を掛けて界面間距離の測定値を補正することで、誤差を低減し精度の高い計測を行うことができる。
【００３３】
また、回折格子面に形成された界面からの反射光パターンをラインセンサ上に拡大結像させることで、各界面による集光点がお互いの光強度分布に重ならない。そのため、ノイズの少ない信号を得ることができ、界面間距離の測定精度を向上させることができる。
【００３４】
また、試料への入射光と反射光とを完全に分離することで、入射光が直接受光部に入るのを防ぐことができ、さらに光ノイズを低減でき測定精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明の記述において、同じ構成については同じ参照符号を付して説明を省略している。
【００３６】
以下、図面を参照して本発明における実施の形態について、詳細に説明する。
【００３７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における界面位置測定装置５０１の模式図である。座標軸は紙面に対し、左右方向をＸ軸、上下方向をＺ軸、奥行き方向をＹ軸とする。また、図１のＺ１−Ｚ１の断面を矢印Ａの方向から見た図（実施の形態１における界面位置測定装置５０１のＺ断面図）を図２に示す。
【００３８】
図１、図２において、実施の形態１における界面位置測定装置５０１は、光源１、スリット板２、ハーフミラー３、フレネル円筒レンズ４、円筒レンズ１０、１１、ラインセンサ１２、ラインセンサ１２により取得された光強度の分布に基づいて界面位置を算出する制御装置５５１より構成される。また、被測定物として、試料５、試料表面６、反射界面９を定義している。また、説明のために、集光点列７、８、光軸１５、１６、光束１７、１８を定義している。なお、本明細書において、集光点列とは、複数の集光点が直線状に一列に配列されて構成されるものである。従って、複数の集光点が一列に点在して配列される場合、及び、多数の集光点が一列に密接に配列されて集光点により擬似的に線が形成されるような場合のいずれの場合をも含むものである。
【００３９】
光源１は、均一な強度分布の平行光を出射するものである。平行光は、レーザの射出光をビームエクスパンダにより所定の大きさに拡大縮小したもの、あるいは、半導体レーザの射出光を平行化したものである。実施の形態１の光源１は、レーザ波長が４０５ｎｍのものを用いる。実施の形態１において、レーザ波長が３５０〜１５００ｎｍのものであれば光源１として使用可能である。光源１のレーザ径は、後述するスリット板２の開口部を全て均一に照射するレーザ径を有する。また、光源１からの射出光に平行で、光源中心を通る軸を光軸１５とする。光軸１５は、Ｚ軸方向に配置されている。
【００４０】
スリット状の開口部を有するスリット板２は光軸１５に対して垂直に配置されており、Ｙ軸に対称に配置された２つの開口部１４を有する。スリット板２は、その中心が光軸１５と一致するように配置される。スリット板２としては、硝子板に遮光部を蒸着で形成したものや、薄い遮光板に穴を形成したものが挙げられる。
【００４１】
ハーフミラー３の中心は光軸１５を通る。また、ハーフミラー３の半透過反射面の法線は、紙面内（ＸＺ面内）にあり、光軸１５に対してほぼ４５度となるように配置される。ハーフミラー３での反射率と透過率はほぼ等しくなるように半透過反射膜が形成されている。また、ハーフミラー３でのゴーストの発生を防止するために、半透過反射膜の形成されていない面には、反射防止膜が形成されている。
【００４２】
フレネル円筒レンズ４は、フレネル型の円筒レンズである。フレネル型のレンズは、屈折作用をもつ微小なプリズムを基板上に形成したレンズであり、レンズ厚みが前面において、ほぼ一定となる。フレネル円筒レンズ４は、Ｘ軸方向に一様な断面形状を有している。フレネル円筒レンズ４は焦点距離ｆのレンズであり、その円筒軸が光軸１５に垂直な軸（ｘ軸）に対してθ１の角度で傾斜して配置されている。ここでは、角度の取り方を明確にするために、反時計周りを正とし、  ０＜θ１＜９０°  の範囲として説明する。
【００４３】
試料５は、光を透過する複数の光透過性の層が積層されて構成された屈折率ｎの透明基板であり、その中に、複数の界面９ａ、９ｂ、９ｃ、・・・が形成されたものである。界面は、例えば試料５と屈折率の異なる薄い透明膜や、金属膜、あるいはそれらを積層して構成される薄い反射膜であり、入射光の一部を反射し、残りを透過する性質を有する。界面９（９ａ、９ｂ、９ｃ、・・・）は試料表面６に対してほぼ平行に形成され、試料５は、試料表面６の法線が光軸１５に平行となるように配置される。なお、界面９（９ａ、９ｂ、９ｃ、・・・）は、薄い透明膜や反射膜として形成される場合のみに限られず、光学特性の異なる２つの層の境界面が界面となる場合もある。
【００４４】
円筒レンズ１０は、その円筒軸がＺ軸方向（紙面上下方向）に平行となるように配置されており、円筒レンズ１０の中心は光軸１６上に配置される。光軸１６は、試料５で反射し、ハーフミラー３でほぼ直角に折り返した光の光軸である。
【００４５】
また、円筒レンズ１１は、その円筒軸がＹ軸方向（紙面奥行き方向）に平行となるように配置されており、円筒レンズ１１の中心は光軸１６上に配置される。
【００４６】
ラインセンサ１２は、その受光面に複数の受光画素を有し、それぞれの受光画素はＺ軸方向に平行に配列されている。Ｙ軸方向の画素幅は、円筒レンズ１０による集光点の径に対して十分に小さい幅である。ラインセンサ１２は、ラインセンサ１２の受光面と円筒レンズ１０の主面間の光路長が円筒レンズ１０の射出側の焦点距離となるように配置される。また、円筒レンズ１１は、フレネル円筒レンズ４の焦点位置付近の像をラインセンサ１２の受光面に結像するように配置される。
【００４７】
本実施の形態１におけるスリット板２の形状図を図３に、本実施の形態１におけるフレネル円筒レンズ４の形状図を図４に示す。なお、図４において、図示下方側には、フレネル円筒レンズ４の下面図が示されており、図示上方側には、その側面図が示されている。
【００４８】
以上のように構成される本実施の形態１の界面位置測定装置５０１における界面位置の測定動作について説明する。
【００４９】
光源１から射出された射出光は、スリット板２により部分的に遮光されて、光軸１５に対して対称な２つの光束１７、１８となる。光束１７、１８は、ハーフミラー３を透過し、直線状に集光させるためのフレネル円筒レンズ４に入射する。図１において、フレネル円筒レンズ４を、試料５表面に平行な軸であるＸ軸に対して角度θ１だけ傾斜させる。フレネル円筒レンズ４により試料５内部に形成される集光点列８は、Ｘ軸に対して角度θ２だけ傾斜する。そのため、集光点列８は、試料５内部の界面９（９ａ、９ｂ、９ｃ、・・・）と交差している。試料５に入射した光は、試料５内部の層の境界面である界面９で反射し、再びフレネル円筒レンズ４を通り、ハーフミラー３で反射し、円筒レンズ１０、１１によりラインセンサ１２上に結像する。
【００５０】
図１において、具体的に試料５内部の層の厚さを測定する方法について説明する。図１の制御装置５５１において、ラインセンサ１２のセンサ上の位置Ｐ４に光強度ピークが存在する場合は試料表面６で反射した光を測定していると判断する。制御装置５５１における試料表面６の求め方の一つとして、まず、試料５より遠い位置から集光点列８を徐々に試料５に当てていき、初めて現れた光強度ピークを試料表面６とするという方法がある。また、他の試料表面６の求め方として、試料５の厚さより十分長い集光点列８を形成して試料５の内部の各層と交差させつつ照射することで、ラインセンサ１２上で初めて現れた光強度ピークを試料表面６とするという方法もある。ここで、光強度ピークは、光強度がある閾値を超えていれば良く、試料の材質、光の性質等によっても表れ方が変化する。
【００５１】
試料表面６に引き続き、制御装置５５１において、ラインセンサ１２のセンサ上の位置Ｐ３における光強度ピークより、界面９ａで反射した光が測定できる。同様にして、ラインセンサ１２のセンサ上の位置Ｐ２における光強度ピークより、界面９ｂで反射した光が測定でき、ラインセンサ１２のセンサ上の位置Ｐ１における光強度ピークより、界面９ｃで反射した光が測定できる。
【００５２】
ラインセンサ１２で検出した光強度ピーク位置から、試料５の試料表面６及び界面９（９ａ、９ｂ、９ｃ、・・・）の位置を測定することができる。ここで、集光点列８の角度θ２、及び試料表面６と界面９による光強度ピーク位置より、三角関数を用いて、試料５の内部の層の厚さを測定することもできる。具体的には、光強度ピーク間の距離に、ｔａｎθ２を掛けることで、試料５内部の層の厚さを測定することができる。
【００５３】
以下、界面位置測定装置５０１の測定動作について、さらに詳しく説明する。
【００５４】
光源１から射出された波長４０５ｎｍの射出光は、スリット板２により、光軸１５に対して対称な２つの光束１７、１８となる。光束１７、１８は、ハーフミラー３を透過し、フレネル円筒レンズ４に入射する。フレネル円筒レンズ４は図１におけるＸ軸に対して角度θ１だけ傾斜しているので、フレネル円筒レンズ４により空気中に形成される場合の集光点列７もＸ軸に対して角度θ１だけ傾斜する。一般的に、傾斜させた球面円筒レンズに平行光を入射させると、レンズの中心部分と周辺部分との厚みの差により、レンズへの入射位置により焦点位置が異なってしまう。しかし、フレネル円筒レンズは、レンズの厚みが全領域においてほぼ一定であるので、レンズを傾斜されても、レンズの中心部分と周辺部分との光路のずれが生じない。そのため、歪みのない集光点を形成することができる。本実施の形態１においては、傾斜したフレネル円筒レンズ４の射出光は、試料５内で集光し、集光点列８となっている。
【００５５】
ここで、図５に、本実施の形態１におけるＹＺ面の光路図を示す。
【００５６】
図５において、フレネル円筒レンズ４の光軸１５からＹ軸方向においてｈだけ離れた位置に入射した光束が試料５へ入射する入射角をφ１とする。この時、フレネル円筒レンズ４の焦点距離ｆを用いて、φ１は（式１）の条件を満たす。
【００５７】
【数１】
0004773329.tif 000002
この光束が試料表面６で屈折したときの角度をφ２とすると、スネルの法則（Snell's law）より、試料５の屈折率ｎを用いて（式２）が成り立つ。ただし、本実施の形態１では、複数形成している層の屈折率が全て同一であり、それら全てをｎと仮定している。
【００５８】
【数２】
0004773329.tif 000003
フレネル円筒レンズ４の主面から試料表面６までの距離をＳ、試料表面６から集光点までの距離をｕとし、試料表面６に入射したレーザの半径をｇとすると、下記式（３）、式（４）となる。ここで、（式１）から（式４）を用いると、試料表面６から集光点までの距離ｕは、（式５）と求まる。
【００５９】
【数３】
0004773329.tif 000004
【００６０】
【数４】
0004773329.tif 000005
【００６１】
【数５】
0004773329.tif 000006
（式５）より、ｕで表される焦点位置は、フレネル円筒レンズ４への入射位置ｈに依存することとなる。一般に、レンズの開口を大きくして焦点距離を短くすると、集光深度は小さくなるため、Ｚ軸方向（深さ方向）の測定精度を向上することができる。しかし、フレネル円筒レンズ４への入射位置により集光点位置がＺ軸方向に異なると、集光点が拡散するため、逆に測定精度が低下する。このため、スリット板２により、光束１７、１８のＹ軸方向の幅を制限することで試料５への入射角をほぼ一定とすることができ、集光点の拡散を防ぎ測定精度の劣化を防ぐことができる。
【００６２】
ところで、ｖ（ｖ＝（ｆ−Ｓ））を、試料表面６を基準とした空気中での集光点位置として、（式５）を変形すると、（式６）となる。
【００６３】
【数６】
0004773329.tif 000007
フレネル円筒レンズ４への入射位置ｈ、焦点距離ｆ、試料屈折率ｎは全て一定となるため、（式６）の右辺は定数となる。ｖは空気中での焦光点列７、ｕは試料中での焦光点列８を示し、それぞれ比例関係にある。集光点列７は直線上に形成されているので、同様に集光点列８も直線となる。このとき、集光点列８のＸ軸に対する傾斜角θ２は、（式６）の右辺を用いて、（式７）となる。
【００６４】
【数７】
0004773329.tif 000008
このように、フレネル円筒レンズ４により、試料５の内部にｘ軸に対して角度θ２の集光点列８を形成することができる。
【００６５】
本実施の形態１では、角度θ１が４５°、試料５の屈折率が１．５のものを用いている。
【００６６】
試料５に入射した光は、試料５内部の層の境界面である界面９で反射し、再びフレネル円筒レンズ４を通り、ハーフミラー３で反射し、円筒レンズ１０および円筒レンズ１１によりラインセンサ１２上に結像する。フレネル円筒レンズ４と円筒レンズ１０およびラインセンサ１２とは共焦点の位置関係にある。すなわち、円筒レンズ１０の射出側焦点位置にラインセンサ１２の受光画素が配置されているので、フレネル円筒レンズ４の射出側集光点位置に界面９が位置すると、ラインセンサ１２の受光画素上に集光点が生じる。また、ＸＺ面においては、円筒レンズ１１により、試料５内の集光点列８がラインセンサ１２に結像される。そのため、ＹＺ面とあわせると、集光点列８と試料５内部の界面９とが交わる位置に対応したラインセンサ１２上でＺ軸方向の位置に集光点が生じることになる。よって、ラインセンサ１２で検出した光強度ピーク位置から試料５の試料表面６および界面９の位置を測定することができる。
【００６７】
なお、集光点列８が試料５と完全に交わるように配置すると、Ｚ軸方向における試料５の表裏面を正確に測定することができる。すなわち、Ｚ軸方向における試料５の表裏面の外側に少なくとも集光点がそれぞれ一つ存在するように配置することで、試料５の表裏面を正確に測定することができる。
【００６８】
また、集光点列８における集光点の間隔を均等にすることで、ＢＤ等の均等な層が複数形成された光ディスクを高速に測定することができる。
【００６９】
図６に、本実施の形態１におけるＸＺ面の試料内光路図を示す。
【００７０】
図６において、試料表面６と集光点列８との交点を基準とし、界面９までのＸ軸方向の距離をｗ１とすると、膜厚すなわち試料表面６から界面９までの距離ｔは、（式８）となる。
【００７１】
【数８】
0004773329.tif 000009
ＸＺ面内における、円筒レンズ１１によるラインセンサ１２上への撮像倍率をａとすると、ラインセンサ１２上での測定値、すなわち、試料表面６に対応する光強度ピーク位置と反射界面９に対応する光強度ピーク位置との距離ｗ２（ｗ２＝ｗ１×ａ）から、膜厚ｔは、下の（式９）で与えられる。
【００７２】
【数９】
0004773329.tif 000010
本実施の形態１では、円筒レンズ１１によるラインセンサ１２上への撮像倍率は３０〜５０倍としている。
【００７３】
また、Ｚ方向の計測範囲をｗｚ、Ｘ方向の分解能をｗｘとすると、ＸＺ面内での試料照射レーザ幅、すなわちスリットのＸ方向幅は少なくともｗｘ以下とする必要がある。よって、試料５内の集光点列のｘ軸に対する傾斜角θ２は、  ｔａｎ（θ２）＞ｗｚ／ｗｘ  とすればよい。よって、（式７）より、θ１は、下の（式１０）を満たせばよい。
【００７４】
【数１０】
0004773329.tif 000011
上記説明では、試料５内部の界面９の数を１としたが、界面９と集光点列８の交点に１対１に対応した光強度ピークがラインセンサ１２上に生じるので、試料５内部の界面の数によらず、界面間の距離、あるいは、試料表面６から各界面間の距離を測定することができる。
【００７５】
以上のように、本実施の形態１においては、フレネル円筒レンズを用いて試料表面に対して傾斜した集光点列を形成し、集光点列と試料反射界面との交点において生じる光強度ピークを検出する。これにより、試料表面および内部の複数の界面位置を同時に計測することができるので、高速な測定を行うことができる。また、フレネル円筒レンズへの入射光を２光束化することで試料への入射角を一定にすることができ、球面収差による集光位置のずれを防ぐことができ、深さ方向（基板の厚さ方向）の測定精度の低下を防ぐことができる。さらに、光源に単色光を用いることで、界面の光透過率、光反射率の波長依存性の影響を受けず、精度の高い測定を行うことができる。
【００７６】
以上のように、試料の界面の位置を測定することで求めたそれぞれの界面位置と、各層の屈折率とを用いて、層の厚さを求めることができる。
仮に内部に層を４つ有する基板の層厚を全て測定する場合を考えると、従来の方法では、１層ずつ時間をかけて順番に測定する必要がある。しかし、本発明によれば、基板を移動させずに測定でき、更に、４層まとめて測定することができる。そのため、測定している時間だけを比べれば、従来の方法に比べて数十分の一以下の時間で、高速に測定することができる。
【００７７】
以上の方法により、例えば、ＢＤやＤＶＤ等の光ディスクに形成された層厚を高速に求めることができる。一般的に光ディスクでは、ある基準値以内に入るように層厚を形成している。本発明によって、光ディスクの層厚が基準値を超える場合と超えない場合に所定の閾値で分類し、層厚が基準値を超えている光ディスクを検出することができる。そのようにして検出した層厚が基準値を超えている光ディスクは、光ディスクの製造工程において、その製造ラインから外し、廃棄する。このように、本発明は、よりバラツキが小さく、精度の高い光ディスクを製造するための量産方法にも適用することができる。
【００７８】
なお、ここでは、基準値を超えている光ディスクは廃棄する例について説明したが、ある層を一度形成した後に、周囲に影響することなくその層を除去することが可能ならば、基準値を超えている層のみを除去し、再度、その層を形成することで、光ディスクの歩留まりを向上させることも可能である。
【００７９】
（実施の形態２）
本発明は上記実施の形態１の構成に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、図７に、実施の形態２における界面位置測定装置５０２の模式図を示す。また、図７のＺ１−Ｚ１の断面を矢印Ａの方向から見た図（本実施の形態２における界面位置測定装置５０２のＺ断面図）を図８に示し、本実施の形態２におけるスリット板の形状図を図９に示し、本実施の形態２におけるフルネル円筒レンズの形状図を図１０に示す。なお、図１０においては、フレネル円筒レンズの側面図と、レンズのＸ軸方向の位置と焦点距離との関係を示すグラフとを、フレネル円筒レンズの平面図に関係付けて示している。
【００８０】
図７及び図９において、スリット板２０は光軸１５に対して垂直であり、Ｘ軸方向に対称な２つの開口部２１を有する。それぞれの開口部２１は、Ｙ軸上、すなわちＸ軸原点（光軸１５）における互いの開口部の間隔の１／２がｈ０となり、Ｘ軸原点（光軸１５）からＸ軸方向にｘａの距離における互いの開口部の間隔の１／２がｈ（ｘａ）となるように相対的に傾斜して形成されている。
【００８１】
図１０に示すように、フレネル扇形円筒レンズ２２は、屈折作用をもつ微小なプリズムより形成され、その円筒軸がＸ軸方向に配置されており、焦点距離が、Ｘ軸原点（光軸１５）でｆ０、Ｘ軸方向への距離ｘａにおいて、焦点距離ｆ（ｘａ）は、  ｆ（ｘａ）＝ｆ０＋ｘａ×ｔａｎ（θ１）  で表される。
【００８２】
ここで、  ｈ（ｘａ）／ｆ（ｘａ）＝ｈ（ｘａ）／（ｆ０＋ｘａ×ｔａｎ（θ１））  が使用するスリット幅内で距離ｘａによらず一定値ｋとなるように、ｈ（ｘａ）を選定する。
【００８３】
以上のように構成される界面位置測定装置５０２について、その測定動作を説明する。
【００８４】
光源１の射出光は、スリット板２０により、光軸１５に対して対称な２つの光束１７、１８となる。光束１７、１８は、ハーフミラー３を透過し、フレネル扇型円筒レンズ２２に入射する。フレネル扇型円筒レンズ２２の焦点位置はＸ軸に対して角度θ１だけ傾斜しているので、形成される集光点列７はＸ軸に対して、上記実施の形態１と同様に角度θ１だけ傾斜する。フレネル扇型円筒レンズ２２は、光軸１５に対してレンズ面が垂直に配置されているので、歪みのない集光点を形成することができる。フレネル扇型円筒レンズ２２の射出光は、試料５内で集光し、集光点列８となる。Ｘ軸方向ｘａの位置における試料５への入射角φ１は、  ｔａｎ−１（ｈ（ｘａ）／ｆ（ｘａ））  となり、  ｈ（ｘａ）／ｆ（ｘａ）＝ｋ  が一定値となるように開口位置ｈ（ｘａ）は形成されている。そのため、入射角φ１も一定値となる。また、（式５）において、Ｓは一定値Ｓ０、ｆは  ｆ（ｘａ）＝ｆ０＋ｘａ×ｔａｎ（θ１）  であるので、試料表面６から集光点までの距離ｕは、（式１１）となる。
【００８５】
【数１１】
0004773329.tif 000012
（式１１）より、ｕは、Ｘ軸方向の位置ｘａに対して１次式となるので、上記実施の形態１と同様に、試料５内に直線状の集光点列８が形成されることとなる。また、スリット板２０により、光束１７、１８のＹ軸方向の幅を制限することにより、試料５への入射角をほぼ一定とすることができる。これにより、集光点の拡散を防ぎ、測定精度の劣化を防ぐことができる。
【００８６】
試料５内に形成した集光点列８に基づいて試料５内部の界面９の位置を検出できることは、上記実施の形態１と同様である。
【００８７】
以上のように、本実施の形態２においては、上記実施の形態１と同様に、試料表面６および複数の界面９の位置を同時に計測できるため。高速な測定を行うことができる。さらに、本実施の形態２において、フレネル扇型円筒レンズを用いることで、レンズを光軸に対して垂直な方向に設置できるので、レンズを傾斜させたときに生じるレンズ厚みによる収差を防ぐことができる。これにより、試料内への集光点列およびラインセンサ上への光強度ピークが拡散することを防ぐことができ、精度の高い測定を行うことができる。
【００８８】
（実施の形態３）
次に、実施の形態３における界面位置測定装置５０３の模式図を図１１に示す。また、図１１のＺ１−Ｚ１の断面を矢印Ａの方向から見た図（本実施の形態３における界面位置測定装置５０３のＺ断面図）を図１２に示す。
【００８９】
球面収差補正素子３０は、Ｚ１−Ｚ１断面方向において後述する透過型回折格子３２により生じる球面収差と逆の球面収差を光束に付加する。
【００９０】
円筒レンズ３１は、その円筒軸が光軸１５と直交し、そのレンズ中心が光軸１５上になるように、配置される。
【００９１】
透過型回折格子３２の格子溝のピッチはｐであり、溝方向はＹ軸方向（図１１の紙面奥行き方向）であり、格子形成面はＸＺ面内で光軸１５に対してθ０の角度で、円筒レンズ３１と円筒レンズの焦点面との間に配置される。光源１の波長をλとすると、角度θ０は、  ｓｉｎ（θ０）＝ｐ／λ  で表される。また、透過型回折格子３２としてブレーズ型の回折格子を用いれば、回折光はほぼ１次回折光のみとなり、主に図１１に示す方向に回折する。
【００９２】
光軸３３は、光軸１５が透過型回折格子３２で回折した後の光軸であり、ＸＺ面内において、光軸１５と角度θ０をなす。
【００９３】
試料表面６をＸ軸に平行とし、光軸１５はＺ軸に対してθ０の角度をなし、光軸３３がＺ軸に平行となるように配置する。
【００９４】
以上のように構成される界面位置測定装置５０３について、その測定動作を説明する。
【００９５】
光源１の射出光は、スリット板２により、光軸１５に対して対称な２つの光束１７、１８となる。光束１７、１８は、ハーフミラー３を透過し、円筒レンズ３１に入射する。円筒レンズ３１では、ＸＺ面内の光束は集光されず、Ｚ１−Ｚ１断面内の光束が集光される。円筒レンズ３１の射出光は、透過型回折格子３２の格子形成面法線に対し角度θ０で入射する。回折方程式は、反時計方向を正方向として、入射角θｉｎ、射出角θｏｕｔ、格子のピッチｐ、光束波長をλ、回折次数をｍとすると、  ｓｉｎ（θｉｎ）＋ｓｉｎ（θｏｕｔ）＝±ｍ×λ／ｐ  となる。ここで、射出角をθｏｕｔ＝０°、回折次数をｍ＝１とすると、  ｓｉｎ（θｉｎ）＝λ／ｐ  となる。ここで、  ｓｉｎ（θ０）＝λ／ｐ  となるように入射角を設定すると、回折格子射出光は、格子形成面に対して垂直な方向となる。試料表面６は、格子形成面と平行であるので、試料表面６に垂直に入射する。
【００９６】
本実施の形態３では、透過型回折格子３２のピッチを  ｐ＝１／２４００ｍｍ  とし、光源１からの光の波長をλ＝４０５ｎｍとしているので、以上の関係を用いて  θ０＝７６．４°  と求まる。
【００９７】
ここで、Ｚ１−Ｚ１面断面内において、円筒レンズ３１による収束光には、厚みを持つ透過型回折格子３２を透過するため、板厚による球面収差を生じる。しかし、球面収差補正素子３０により予め透過型回折格子３２で生じる球面収差と逆の収差が与えられているので透過型回折格子３２による球面収差は生じない。本実施の形態３では、球面収差補正素子３０は、透過型回折格子３２と同等の厚みが設けられたガラスの板を用いる。
【００９８】
図１３に、本実施の形態３における集光点列傾斜角の説明図を示す。
【００９９】
図１３において、回折格子３２により形成される円筒レンズ３１による集光点列７の試料表面６に対する傾斜角θ１を求める。
【０１００】
集光点列７は、円筒レンズ３１の焦点位置上に形成され、円筒レンズ３１の焦点距離をｆとすると、ＸＺ面内での光路長もｆとなる。これは、円筒レンズ３１と集光点との間に回折格子が配置されても変わらない。図１３から、ａ１＋ａ２＝ｂ１＋ｂ２＝ｆとなり、それぞれの光路長は、ｂ１＝ａ１＋ｂ３、ａ２＝ｂ２＋ａ３となる。従って、ａ３＝ｂ３となる。ＸＺ面内における、円筒レンズ３１の射出レーザ幅をｄ１、透過型回折格子３２の射出レーザ幅をｄ２とすると、Ｘ軸に対する傾斜角θ１は、  ｔａｎ（θ１）＝ａ３／ｄ２  で表される。また、  ｓｉｎ（θ０）＝ｂ３／ｄ２  であるので、結局、傾斜角は、  ｔａｎ（θ１）＝ｓｉｎ（θ０）＝λ／ｐ  で表される。
【０１０１】
円筒レンズ３１および透過型回折格子３２で形成された集光点列７は、空気中でのＸ軸に対する傾斜角はθ１とすると、上記実施の形態１と同様に、試料５内では傾斜角θ２の集光点列８となる。
【０１０２】
そして、上記実施の形態１と同様に、この集光点列８は、試料５の界面９で反射し、再び透過型回折格子３２、円筒レンズ３１を介して、円筒レンズ１０、１１によりラインセンサ１２上に結像することとなる。結像した像によるラインセンサ１２上の光強度ピーク位置から試料５内部の界面９の位置を計測することができる。
【０１０３】
また、Ｚ軸方向の計測範囲をｗｚ、Ｘ方向の分解能をｗｘとすると、ＸＺ面内での試料照射レーザ幅は少なくともｗｘ以下とする必要がある。ここで、透過型回折格子３２での回折で、ＸＺ面内でのレーザ幅は、  ｄ２／ｄ１＝１／ｃｏｓ（θ０）  となるので、スリット板２でのＸ軸方向幅は、ｗｘ×ｃｏｓ（θ０）以下となるようにすればよい。
【０１０４】
以上のように、本実施の形態３においては、上記実施の形態１と同様に、試料表面および内部の複数の界面位置を同時に計測することができるので高速な測定を行うことができる。また、上記実施の形態２と同様に、円筒レンズを光束に対して垂直に配置できるので、レンズ傾斜による収差の発生がない。
【０１０５】
さらに、本実施の形態３においては、透過型回折格子により円筒レンズで形成した集光点列を試料に対して斜め方向にすることで、ＸＺ面内において、円筒レンズから集光点列までの光路長が一定となる。すなわち、円筒レンズから見たときの集光点列は光束に対して垂直となる。このため、ラインセンサへの結像において、物体面（集光点列）と結像面（ラインセンサ１２の受光面）とが平行となり、撮像倍率を高倍率としても、歪みのない光強度ピークを撮像できる。
【０１０６】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４における界面位置測定装置５０４の模式図を図１４に示す。また、図１４のＺ１−Ｚ１の断面を矢印Ａの方向から見た図（本実施の形態４における界面位置測定装置５０４のＺ断面図）を図１５に示す。
【０１０７】
光軸１５は、ＸＺ面内で、Ｘ軸に対してθ３の角度をなす。光軸３３は、Ｚ軸に平行となるように配置され、試料表面６はＺ軸に対して垂直となる。
【０１０８】
反射型回折格子４０の格子は溝ピッチｐで、溝方向はＹ軸方向（図１４の紙面奥行き方向）であり、格子形成面は法線方向がＸＺ面内でＸ軸に対してθ４の角度をなし、円筒レンズ３１と円筒レンズの焦点面との間に配置される。反射型回折格子４０としてブレーズ型を用いれば、主に１次回折光のみが生じる。回折方向は、図１４に示す方向である。
【０１０９】
ここで、光源１の波長をλとするとθ３、θ４は、（式１２）を満たす。
【０１１０】
【数１２】
0004773329.tif 000013
以上のように構成される界面位置測定装置５０４についてその測定動作を説明する。
【０１１１】
光源１の射出光は、スリット２により、光軸１５に対して対称な２つの光束１７、１８となる。光束１７、１８は、ハーフミラー３を透過し、円筒レンズ３１に入射する。円筒レンズ３１では、ＸＺ面内の光束は集光されず、Ｚ１−Ｚ１断面内の光束が集光される。円筒レンズ３１の射出光は、反射型回折格子４０の格子形成面の法線に対し角度θｉｎで入射する。回折方程式は、反時計方向を正方向として、入射角θｉｎ、射出角θｏｕｔ、回折次数をｍとすると、  ｓｉｎ（θｉｎ）＋ｓｉｎ（θｏｕｔ）＝±ｍ×λ／ｐ  である。ここで、反射型回折格子４０では１次回折光のみが回折するのでｍ＝１であり、入射角は、θｉｎ＝θ３＋θ４であり、射出光がＺ軸に平行となるように、射出角を、θｏｕｔ＝−（９０°―θ４）とすると、（式１２）が得られることとなる。
【０１１２】
図１６に、本実施の形態４における集光点列傾斜角の説明図を示す。
【０１１３】
図１６において、反射型回折格子４０により形成される円筒レンズ３１による集光点列７の試料表面６に対する傾斜角θ１を求める。
【０１１４】
集光点列７は、円筒レンズ３１の焦点位置上に形成される。これは、円筒レンズと集光点との間に回折格子が配置されても変わらない。集光点列７と平行な直線Ｅ３Ｆ２より、Ｘ軸とのなす角θ１を求める。円筒レンズ３１から直線Ｅ３Ｆ２上までの光路長は一定であるので、光路長Ｅ１Ｅ２＋Ｅ２Ｅ３と光路長Ｆ１Ｆ２は同一距離である。それぞれ、  Ｅ１Ｅ２＝ａ１、Ｅ２Ｅ３＝ａ３−ａ２、Ｆ１Ｆ２＝ａ１＋ａ２  より、  ａ３＝２×ａ２  である。ＸＺ面内における、円筒レンズ３１の射出レーザ幅をｄ１、反射型回折格子４０の射出レーザ幅をｄ２とすると、Ｘ軸に対する傾斜角θ１は、  ｔａｎ（θ１）＝ａ３／（２×ｄ２）  で表される。また、  ｔａｎ（θ４）＝ａ３／ｄ２  でもあるので、結局、  ｔａｎ（θ１）＝｛ｔａｎ（θ４）｝／２  である。
【０１１５】
円筒レンズ３１および反射型回折格子４０で形成した集光点列７は、空気中でのＸ軸に対する傾斜角はθ１であるので、上記実施の形態１と同様に、試料５内では、傾斜角θ２の集光点列８となる。
【０１１６】
そして、上記実施の形態１と同様に、この集光点列８は、試料５の界面９で反射し、再び反射型回折格子４０、円筒レンズ３１を介して、円筒レンズ１０、１１によりラインセンサ１２上に結像することとなる。そのため、ラインセンサ１２上の光強度ピーク位置から試料５内部の反射界面９の位置を計測することができる。
【０１１７】
また、Ｚ方向の計測範囲をｗｚ、Ｘ方向の分解能をｗｘとすると、ＸＺ面内での試料照射レーザ幅は少なくともｗｘ以下とする必要がある。ここで、回折格子での回折で、ＸＺ面内でのレーザ幅は、  Ｅ２Ｆ２×ｃｏｓ（θ３＋θ４）＝ｄ１、Ｅ２Ｆ３×ｓｉｎ（θ４）＝ｄ２より、ｄ２／ｄ１＝ｓｉｎ（θ４）／ｃｏｓ（θ３＋θ４）  となるので、スリット２でのＸ軸方向幅は、  ｗｘ×ｃｏｓ（θ３＋θ４）／ｓｉｎ（θ４）  以下となるようにすればよい。
【０１１８】
以上のように、本実施の形態４においては、上記実施の形態１と同様に、試料表面および内部の複数の反射界面位置を同時に計測することができるので高速な測定を行うことができる。また、上記実施の形態２と同様に、円筒レンズを光束に対して垂直に配置できるので、レンズ傾斜による収差の発生がない。また、上記実施の形態３と同様に、ラインセンサへの結像において、物体面（集光点列）と結像面（ラインセンサ受光面）とが平行となり、撮像倍率を高倍率としても、歪みのない光強度ピークを撮像できる。
【０１１９】
さらに、本実施の形態４では、反射型の回折格子を用いて試料に対して傾斜した集光点列を形成することで、回折格子による球面収差が発生せず、球面収差あるいは球面収差補正誤差によるラインセンサ上での光強度ピークの歪みが生じない。そのため、精度の高い計測を行うことができる。また、透過型回折格子内での表裏面反射による迷光が生じないのでラインセンサでの誤検出を防ぐことができる。
【０１２０】
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５における界面位置測定装置５０５の模式図を図１７に示す。また、図１７のＺ１−Ｚ１の断面を矢印Ａの方向から見た図（本実施の形態５における界面位置測定装置５０５のＺ断面図）を図１８に、図１７のＸ２−Ｘ２、Ｚ１−Ｚ１の断面を矢印Ｃの方向から見た本実施の形態５における界面位置測定装置５０５のＸＺ断面図を図１９に示す。
【０１２１】
層厚測定の光源５７は、その偏光方向が図１７の紙面内に平行である点以外は、光源１と同じである。
【０１２２】
角度測定用の光源５０は、平行光を射出し、その偏光方向が図１７の紙面に垂直な方向である。光源５０の光軸は、光軸１５と平行となるように配置される。
【０１２３】
ハーフミラー５１は、光源５０の射出光を入射光とし、図１７の紙面内で９０°光路を折り返す。光源５０の光軸がハーフミラー５１で折り返した光軸を光軸５８とする。
【０１２４】
円筒レンズ５２は、ハーフミラー５１の射出光を入射光とし、レンズ中心が光軸５８上にあり、図１７の紙面内に平行な偏光方向の光は集光せず、紙面に垂直な偏光方向の光を集光する。円筒レンズ５２の射出側焦点位置は、円筒レンズ３１の入射側焦点位置となるように配置される。
【０１２５】
偏光ビームスプリッタ（以下ＰＢＳとする）５３は、紙面に平行な偏光を透過し、紙面に垂直な偏光を反射する。偏光反射面は光軸１５に対して紙面内で４５度の角度で配置され、光軸１５とＰＢＳ５３との交点を光軸５８が通る。
【０１２６】
円筒レンズ５４は、その円筒軸が図１７の紙面奥行き方向に配置され、そのレンズ中心が光軸５８上に配置されている。
【０１２７】
ラインセンサ５５は、複数の受光素子が紙面内に光軸５８に対して垂直な方向に一列に配置される。ラインセンサ５５の図１７の紙面奥行き方向の受光部幅は十分に広いとする。また、円筒レンズ５４の射出側焦点位置上にラインセンサ受光面が配置される。
【０１２８】
偏光板５６は、ハーフミラー３で反射した光のうち、図１７の紙面に平行な偏光成分のみを通過させる。
【０１２９】
以上のように構成された界面位置測定装置５０５についてその測定動作を説明する。
【０１３０】
光源５７の射出光は、偏光方向が図１７の紙面に平行であるので、ＰＢＳ５３からみてＰ偏光となるので、光は透過する。試料５での反射では偏光方向が変化しないので、ＰＢＳ５３ではすべて透過光となる。偏光板５６の透過軸は図１７の紙面に平行な方向であり、紙面に垂直な偏光成分はここで完全に除去されるので、上記実施の形態４と同様に、試料表面６から内部の界面９までの距離を測定することができる。
【０１３１】
次に、光源５０の射出平行光は、ハーフミラー５１を透過し、円筒レンズ５２に入射する。図１７の紙面内では、平行光のままであり、ＰＢＳ５３に入射する。光源５０の偏光方向は、図１７の紙面に垂直であり、ＰＢＳ５３に対してＳ偏光となるので反射する。反射光は、光軸１５と平行な平行光となる。この光束は、紙面内で平行光のまま反射型回折格子４０で回折し、試料５に入射する。光軸３３に対する試料表面６法線の傾斜角をεとすると、反射光の角度は、光軸３３に対して２εとなる。試料表面６反射光の偏光状態は変化しないので、反射型回折格子４０で回折し、ＰＢＳ５３で反射し、円筒レンズ５２を通過して、円筒レンズ５４に入射する。円筒レンズの焦点距離をｆ１とすると、ラインセンサ１２上には、ｆ１×ｔａｎ（２ε）の位置に集光する。
【０１３２】
一方、図１７の紙面奥行き方向では、光源５０からの平行光はハーフミラー５１で反射したあと、円筒レンズ５２で集光される。円筒レンズ５２の射出側焦点位置と、円筒レンズ３１の入射側焦点位置とが一致しているので、円筒レンズ３１の射出光は、平行光となる。よって、試料５に対しても光軸３３に平行な平行光となる。試料５での反射光は、再び反射型回折格子４０で回折し、円筒レンズ３１、ＰＢＳ５３、円筒レンズ５２を通り平行光となる。円筒レンズ５４の紙面奥行き方向は集光されないので、平行光がラインセンサ５５の受光部に入射する。
【０１３３】
次に、試料５が傾斜したときの膜厚測定への影響を説明し、上記の傾斜測定結果を用いて、正しい膜厚測定を行う方法を説明する。
【０１３４】
図２０に、本実施の形態５における試料内部の集光点列を示す図を示す。
まず、試料の傾斜による試料内での集光点列のｘ軸に対する傾斜角を求める。図２０より、試料５が角度ε傾斜したとき、試料内での集光点列８のＸ軸に対する角度θ２は、  θ２＝（θ２ｎ＋εｎ）  となる。ここで、εｎは、スネル則  ｓｉｎ（ε）＝ｎ×ｓｉｎ（εｎ）  により与えられる。ＸＺ面内では見かけ上、屈折率ｎの試料内では長さに  ｋｘｚ＝（ｆ−Ｓ）／ｕ  の係数がかかる。これは、図５において、試料表面６から空気中と試料５内との焦点位置の比で示される。よって、図中のｑは、  ｑ＝ｄ２×ｔａｎ（θ１）×ｋｘｚ  となり、θ２ｎは、（式１３）で表される。
【０１３５】
【数１３】
0004773329.tif 000014
ただし、  ｓｉｎ（θ２）＝ｎ×ｓｉｎ（θ２ｎ）、ｓｉｎ（ε）＝ｎ×ｓｉｎ（εｎ）  となる。
【０１３６】
図２１は、試料５がｘ軸に対してε傾斜したときの試料内に形成される本実施の形態５の集光点列と表面および反射界面との位置関係を示した図である。
【０１３７】
図２１において、８は、試料が傾斜していないときの試料内に形成される集光点列であり、５９は、試料がε傾斜したときの集光点列である。試料表面６から界面９間の距離はｔであり、試料５が傾斜していない場合の集光点列８と試料表面６および界面９との交点間のＸ軸方向の距離ｈ２ｄは、ｈ２ｄ＝ｔ／ｔａｎ（θ２ｎ）であり、試料５が傾斜している場合の集光点列５９と試料表面６および界面９との交点間のＸ軸方向の距離ｈ２ｅは、ｈ２ｅ＝ｔ×ｃｏｓ（θ２ｎ＋εｎ）／ｓｉｎ（θ２ｎ＋εｎ−ε）  となる。従って、試料がＸ軸に対して傾斜することにより交点間の距離がη倍、すなわち、
【０１３８】
【数１４】
0004773329.tif 000015
となる。これは、ラインセンサ１２で観測される光強度ピーク位置の間隔においても同様である。
【０１３９】
よって、試料５の層厚測定として、試料５が傾斜しているときに計測した試料表面６から界面９まで距離をｔとし、試料表面６の傾斜測定結果ε、集光点列の空気中での傾斜角θ１から、ｔ／ηを求め、測定値とすることで、試料の傾斜による誤差を防ぐことができる。ただし、θ１は、式１３より、θ２ｎは、スネルの法則  ｓｉｎ（θ２）＝ｎ×ｓｉｎ（θ２ｎ）  より与えられ、εｎは、スネルの法則  ｓｉｎ（ε）＝ｎ×ｓｉｎ（εｎ）  より与えられる。
【０１４０】
以上のように、本実施の形態５においては、上記実施の形態４と同様に、試料表面および内部の複数の界面位置を同時に計測することができるので高速な測定を行うことができる。さらに、試料表面の傾斜角を測定し、試料表面および内部の界面位置の測定値を補正することで、精度のよい膜厚測定を行うことができる。また、計測中に試料の傾斜角が変化しても、計測できるので、たとえば、光ディスクなどの円盤を回転させながら内部の界面の位置を測定することができる。
【０１４１】
（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６における界面位置測定装置５０６の模式図を図２２に示す。
【０１４２】
図２２において、１０１は光源であり、ほぼ単色の平行光を射出する。光源１０１は、たとえば、半導体レーザの射出光をレンズにより平行光化したものである。光源１０１の波長λ２は、λ２＝４０５ｎｍである。１０２は光軸であり、光源１０１の射出光と平行で、光強度分布あるいは光強度重心のほぼ中心を示す。１０４は、円筒レンズであり、円筒軸が光軸１０２と直交し、図２２の紙面奥行き方向に配置される。１０５はレンズであり、そのレンズ中心および焦点位置が光軸１０２上にあり、光源１０１側の焦点位置が円筒レンズ１０４の焦点ライン上となるように配置される。
【０１４３】
１０６は反射型回折格子であり、その格子溝形成面は、光軸１０２に対して垂直で、レンズ１０５の射出側焦点位置に配置される。反射型回折格子１０６において、格子溝は図２２の紙面奥行き方向に形成されている。格子溝ピッチをｐとすると、光源の波長がλ２であるので、１次回折角θ５は、  θ５＝ｓｉｎ−１（λ２／ｐ）  により与えられる。ここで、格子溝ピッチをｐ＝１／２４００ｍｍ（０．４１７μｍ）とすると、１次回折角θはθ＝７６．４°である。また、格子溝ピッチｐは、  λ／ｐ＜１  より、ｐ＜λで制限される。また、座標軸として、図２２の紙面内における光軸１０２と垂直な方向をＹ１、紙面奥行き方向をＸ１とする。格子を、断面がのこぎり波状のブレーズ型格子とする。
【０１４４】
１０７は、光軸であり、光軸１０２に対する１次回折角方向である。回折格子１０６の格子溝方向は図２２の紙面奥行き方向に配置されているので、光軸１０７は、紙面内にある。１０８、１０９はレンズであり、レンズ中心および焦点位置は、光軸１０２上にあり、レンズ１０８の入射側焦点位置は、光軸１０７と回折格子１０６との交点になるように配置される。レンズ１０８の射出側焦点位置とレンズ１０９の入射側焦点位置が一致するようにレンズ１０９は配置される。
【０１４５】
１１０は、試料であり、表面１１７ａは平面であり、内部に表面とほぼ平行で入射光の一部を反射する複数の界面１１７（１１７ｂ、１１７ｃ、・・・）を有する。透明な基板１１８の間に界面１１７が形成される。レンズ１０９の試料１１０側焦点位置が、試料１１０の測定対象となる界面１１７群のほぼ中心となるように試料１１０は配置され、試料表面１１７ａの法線方向と光軸１０７とはほぼ平行となるように試料を配置される。座標軸として、図２２の水平方向（すなわち、図２２の紙面内において光軸１０７に垂直な方向）をＹ２とし、紙面奥行き方向をＸ２とする。
【０１４６】
１１３はハーフミラーであり、光軸１０２上に反射面がほぼ４５度となるように配置される。１１５は、光軸１０２がハーフミラーで反射した後の光軸である。１１４は、レンズであり、レンズ中心が光軸１１５上にあり、レンズ１０５とレンズ１１４の組み合わせにより回折格子１０６の格子面をラインセンサ１１６の配置された面上に結像させる。
【０１４７】
１１６はラインセンサであり、レンズ１１４の射出側焦点位置にセンサ受光面が配置される。センサ受光面の位置は、試料１１０の各界面からの反射光が回折格子１０６に形成した集光点群をレンズ１０５、１１４により結像された位置に配置される。集光点群は、回折格子の格子溝の深さにおける、ほぼ中程度に形成されている。
【０１４８】
以上のように構成される界面位置測定装置５０６について、次にその測定動作を説明する。
【０１４９】
光源１０１の射出光は、円筒レンズ１０４の円筒軸に垂直な断面では、円筒レンズ１０４およびレンズ１０５により焦点距離の比で回折格子１０６上に投影される。円筒レンズ１０４の円筒軸に平行な断面では、光源１０１の射出光は、円筒レンズ１０４を通過し、レンズ１０５により回折格子１０６上に集光される。従って、回折格子１０６上には、図２３に本実施の形態６における回折格子１０６上の光強度のパターンを示す図として示すように、集光ライン１１９が形成される。円筒レンズ１０４の円筒軸が図２２の紙面奥行き方向に配置されており、さらにレンズ１０５により集光されるため、集光ライン１１９は、回折格子溝方向に対して垂直、すなわちＹ１方向と平行となる。回折格子１０６への入射光は、回折し光軸１０７方向となる。レンズ１０８、１０９は結像系を構成し、回折格子１０６上の集光ライン１１９を試料１１０中に結像し集光ライン１１２となる。回折格子１０６は光軸１０７に対して７６．４°傾斜しているので、試料１１０に形成される集光ライン１１２も試料に対して傾斜し、測定対象となる界面と交差するように形成される。
【０１５０】
集光ライン１１２の界面反射光は、レンズ１０８、１０９により回折格子１０６に戻る。試料１１０中の集光ライン１１２と回折格子１０６上の集光ライン１１９とはレンズ１０８、１０９により１対１に対応しているので、試料中の集光ライン１１２と界面との交点、すなわち集光点からの反射光は回折格子１０６上でも集光点となる。交点以外では、Ｙ２方向に移動するに従い、集光ライン１１２の光は発散するので、回折格子１０６上においてもＹ１方向に沿って発散し幅が広がる。従って、図２４に本実施の形態６における回折格子１０６上の戻り光強度パターンを示す図として示すように、回折格子１０６上の光強度分布はそれぞれの界面からの反射光がＸ字状となる。すなわち、第１界面（表面）１１７ａ、第２界面１１７ｂ、第３界面１１７ｃによる集光点は、それぞれ回折格子１０６上に、集光点１２１、１２２、１２３となる。界面は表面に平行であり、集光ライン１１２は直線状に形成されるので、集光点１２１、１２２、１２３の位置は、界面間の距離に比例しかつ直線状に配列する。
【０１５１】
回折格子１０６上の光強度分布は、レンズ１０５および１１４により、図２５に本実施の形態６におけるラインセンサ１１６上の光強度パターンを示す図として示すようにラインセンサ１１６上に結像される。集光点は、図２５におけるＸが交差した点である。この結果、集光点に対応した信号をラインセンサ１１６より得ることができる。
【０１５２】
信号のピーク位置を検出することで、試料表面からの各界面の位置を測定することができる。表面位置については、たとえば、試料１１０をレンズ１０９の試料側焦点位置より十分に離した位置から近づけて、最初に検出した信号を表面位置とすることで検出できる。また、基板の厚さより十分に大きいラインを形成し、基板に照射することでも表面位置を検出することができる。信号ピーク間距離からの界面位置の算出については、既知の界面間光学距離を持つ試料を予め測定しておき、そのときの信号ピーク間距離に対する界面間光学距離の係数を求めることで、任意の試料について信号ピーク間距離から、正確な表面からの各界面光学距離を得ることができる。試料の屈折率が与えられれば、試料表面からの各界面距離を算出することができる。
【０１５３】
ところで、一般に、レンズなどで平行光を集光する途中に回折格子を設け、その回折光を集光すると、回折光は、光が単色光であっても、１点に集まらない。
【０１５４】
このように回折光が１点に集まらないという現象の説明図を図２６に示す。図２６に示すように、主断面、すなわち格子溝方向に対して垂直で格子面の法線方向に平行な面、に光軸１３２をとり、光軸１３２を含みかつ格子溝方向１３１に平行な面を入射面１３５とし、光軸１３２の回折方向を光軸１３８とし、光軸１３７を含み、かつ格子溝方向１３１に平行な面を射出面１３６とし、光軸１３７および射出面１３６に垂直な面を投影面１４０とする。
【０１５５】
入射面１３５上の光軸１３２に平行な光線１３３は、回折格子１３０により回折し光線１３８となる。光線１３８は、射出面１３６上にある。ところが、入射面１３５内の主断面に平行でない光線１３４は、回折格子１０６で回折すると光線１３９となるが、光線１３９は射出面１３６上にはなく、投影面１４０において、円弧上のライン１４１上を通る。これは、回折が、主断面内にない光線は、格子の見かけの溝ピッチが小さくなり、回折角が大きくなるためである。
【０１５６】
このような回折光の現象に対して、本実施の形態６では、回折格子１０６上に集光ライン１１９を形成し、この像を試料１１０にレンズ１０８、１０９を用いて再結像する。これにより、入射角による回折格子での回折角の変化が生じても結像位置は変化しないため、歪みのない集光ラインを得ることができる。
【０１５７】
本実施の形態６では、２レンズの結像系の構成について一例として記載したが、収差の問題を解決できたら、１レンズの結像系においても本実施の形態６使用することができる。
【０１５８】
試料からの戻り光においても同様であり、回折格子１０６上に集光点が形成されるので、集光点からの光線方位が回折により変化しても、レンズ１０５、１１４による結像系でラインセンサ１１６に形成される集光点位置は変わらない。
【０１５９】
よって、ラインセンサ上に微小な集光点を形成することができ、表面からの各界面位置測定精度の向上および、近接した界面間位置測定を行うことができる。
【０１６０】
（実施の形態７）
図２７は、本発明の実施の形態７における界面位置測定装置５０７の模式図である。
【０１６１】
１５０は光源１０１と異なる波長の単色光の点光源であり、たとえば半導体レーザなどである。光源の波長をλ２とする。本実施の形態７では、たとえばλ２＝６３５ｎｍとする。
【０１６２】
１５４は光軸であり、図２７の紙面内にあり、光軸１０２と回折格子１０６との交点を通り、光軸１０２すなわち回折格子１０６の法線に対して角度φ５をなす。回折格子１０６に対して、光軸１５４が光軸１０７の正反射となるようにφ５＝θ５とする。ここでは、φ５＝θ５＝７６．４°である。
【０１６３】
１５１は、ハーフミラーであり、光軸１５４上にほぼ４５度の角度で配置され、光源１５０の射出光を光軸１５４方向に反射させる。
【０１６４】
１５２はレンズであり、光源１５０の射出光を平行光化する。
【０１６５】
１５３は位置センサであり、光軸１５４上に配置され、レンズ１５２による集光点の位置を測定する。たとえば、ＰＳＤや、ラインセンサなどである。
【０１６６】
以上のように構成される界面位置測定装置５０７において、その測定動作を説明する。
【０１６７】
光源１５０の射出光は、レンズ１５２により平行光化され回折格子１０６に入射する。回折格子１０６は波長λに最適化されているので、波長λ２に対しては、正反射成分が生じ、光軸１０７方向に光が反射する。回折格子１０６を射出した光は、レンズ１０８、１０９を通過し再び平行光となる。試料１１０の表面および内部界面は互いに平行で平坦であるので、反射光は、試料の傾き角の２倍の角度の平行光となる。試料１１０からの反射光は再びレンズ１０８、１０９を通過し、回折格子１０６で回折し、一部の光が光軸１５４近傍に戻る。このとき、光軸１５４とのなす角は、試料の傾斜角が小さいと、ほぼ試料傾斜角に比例する。回折格子１０６を反射しレンズ１５２を通過した光は、位置センサ１５３上に集光する。位置センサ１５３上の集光位置は、試料表面傾斜角にほぼ比例するので、試料表面傾斜角を求めることができる。
【０１６８】
本実施の形態７で構成される界面位置測定装置５０７において、試料１１０の表面からの各界面の位置測定は上記実施の形態６と同様である。この界面位置測定装置５０７では、試料表面に対し集光ライン１１２を傾斜させて界面との交点位置から表面から各界面位置までの距離を測定するので、試料表面の法線が光軸１０７に対して傾斜すると、試料表面から各界面までの距離計測値に誤差が生じる。そこで、光源１５０〜位置センサ１５３により計測される試料傾斜量を測定し、界面位置計測値を補正することで測定誤差を低減することができる。試料傾斜量による補正方法として、既知の界面間光学距離の試料を用い、試料を傾斜させたときの傾斜量に対する計測値の変化量を予め計測して傾斜係数として持つ。これにより、任意の試料に対して、試料傾斜角を計測し、傾斜係数を掛けることで誤差の少ない界面間光学距離を測定することができる。また、屈折率が与えられれば、界面間の実際の距離を算出できる。
【０１６９】
（実施の形態８）
図２８から３０は、本発明の実施の形態８における界面位置測定装置５０８の模式図である。
【０１７０】
上記実施の形態６では、回折格子上に形成した集光ラインを試料表面にほぼ垂直方向から光を入射し、反射光を同一回折格子上に結像させたが、本実施の形態８では、試料に対して斜め方向から光を入射し、正反射方向へ反射する光を入射光学系とは別の回折格子を備えた受光光学系によりラインセンサ上に集光点を形成するものである。
【０１７１】
図２８は、試料表面の法線方向を紙面内にとった図である。図２８のＡ矢視図を図２９、Ｂ矢視図を図３０に示す。図２９において、１５１は平行な単色光を射出する光源であり、半導体レーザの射出光をレンズにより平行光化したものである。光源１５１の波長をλとする。
【０１７２】
１５２は光軸であり、光源１５１の射出光と平行で、光強度分布あるいは光強度重心のほぼ中心を示す。１５４は、円筒レンズであり、円筒軸が光軸１５２と直交し、円筒軸が図２９の紙面奥行き方向に配置される。１５５はレンズであり、レンズ中心および焦点位置が光軸１５２上にあり、光源１５１側の焦点位置が円筒レンズ１５４の焦点ライン上となるように配置される。
【０１７３】
１５６は、反射型回折格子であり、格子溝形成面は、光軸１５２に対して垂直であり、レンズ１５５の射出側焦点位置に配置される。なお、反射型回折格子１５６の格子溝は、図２９の紙面奥行き方向に形成されている。格子溝ピッチをｐ３とすると、光源の波長がλであるので、１次回折角θ６は、θ６＝ｓｉｎ−１（λ／ｐ３）により与えられる。また、座標軸として、図２９紙面内にＹ１、紙面奥行き方向をＸ１とする。回折格子は１次回折光方向に光が集中するように、たとえば、格子断面を波長に最適化した深さの正弦形状あるいは、のこぎり波形状とする。
【０１７４】
１５７は、光軸であり、光軸１５２に対する１次回折角方向である。回折格子１５６の格子溝方向は図２９の紙面奥行き方向に配置されているので、光軸１５７は、紙面内にある。
【０１７５】
１５８、１５９はレンズであり、レンズ中心および焦点位置は、光軸１５２上にあり、レンズ１５８の入射側焦点位置は、光軸１５７と回折格子１５６との交点になるように配置される。レンズ１５８の射出側焦点位置とレンズ１５９の入射側焦点位置が一致するようにレンズ１５９は配置される。
【０１７６】
光軸１５７は図２８の紙面内にある。レンズ１５９の焦点位置が、試料１１０の測定対象となる界面群のほぼ中央になるように試料１１０を配置する。
【０１７７】
１６５は光軸であり、試料１１０の表面に対して光軸１５７の正反射方向であり、レンズ１５９の試料側焦点位置を通り、図２８の紙面内にある。
【０１７８】
１６３はレンズであり、レンズ中心が光軸１６５にあり、試料側焦点位置がほぼレンズ１５９の試料側焦点位置にある。
【０１７９】
１６４はレンズであり、レンズ中心が光軸１６５にあり、試料側焦点位置がレンズ１６３の回折格子１６６側焦点位置となるように配置される。
【０１８０】
１６６は回折格子である。図３０において、光軸１６５は紙面内にあり、回折格子１６６の１次回折方向となる。回折格子１６６の溝方向は図３０の紙面奥行き方向であり、溝ピッチをｐ４とすると、回折格子１６６の格子面法線方向と光軸１６５とのなす角θ７は、θ７＝ｓｉｎ−１（λ／ｐ４）となる。たとえば、ｐ４＝１／２４００ｍｍとすると、λ＝４０５ｎｍなので、θ７＝７６．４°となる。
【０１８１】
また、座標軸として、図３０紙面内にＹ３、紙面奥行き方向をＸ３とする。回折格子は１次回折光方向に光が集中するように、たとえば、格子断面を波長に最適化した深さの正弦形状あるいは、のこぎり波形状とする。
【０１８２】
１６７は光軸であり、回折格子１６６の格子面法線方向である。
【０１８３】
１６８はレンズであり、レンズ中心および焦点位置が光軸１６７上にあり、入射側の焦点位置に回折格子１６６面がくるように配置される。
【０１８４】
１６９はレンズであり、レンズ中心および焦点位置が光軸１６７上にある。
【０１８５】
１７０はラインセンサであり、レンズ１６９の射出側焦点位置に配置される。ラインセンサ１７０の受光部は、レンズ１６９により形成される集光点上に配置される。
【０１８６】
以上のように構成される本実施の形態８による界面位置測定装置５０８の動作について説明する。
【０１８７】
光源１５１から射出された平行光は、円筒レンズ１５４の円筒軸に垂直な断面内では円筒レンズ１５４により集光された後レンズ１５５により再び平行光化される。一方円筒レンズの円筒軸に平行な断面内では、円筒レンズ１５４を通過し、レンズ１５５により焦点位置にある回折格子１５６上に集光する。従って、図３１に示すように回折格子１５６上に集光ライン１７１が形成される。形成された集光ライン１７１は、回折格子１５６により回折し、光軸１５７方向に射出する。レンズ１５８の入射側焦点位置近傍に形成された回折格子１５６上の集光ライン１７１像が、レンズ１５８、１５９により、レンズ１５９の焦点位置近傍に結像される。レンズ１５９の焦点位置近傍には試料１１０が配置され、試料１１０内に測定対象界面群と交差するように集光ライン１６２が形成される。
【０１８８】
各界面からの反射光はレンズ１６３、１６４により図３２に示すような光強度分布で回折格子１６６に結像される。試料１１０の第１界面（表面）１１７ａによる反射光は、図２８において、光軸１６５から離れた位置からレンズ１６３に入射することになるので回折格子１６６上でもＸ３正方向に集光点１７５が形成される。第２界面１１７ｂによる反射光は光軸１６５近傍にあるので、回折格子１６６と光軸１６５との交点近傍に集光点１７４が形成させる。同様に第３界面１１７ｃによる反射光は、Ｘ３負方向に集光し集光点１７３が形成される。このとき、集光点間の距離は、試料１１０の界面間の距離に比例する。
【０１８９】
また、回折格子１５６上でＹ１方向の集光ライン１７１は界面で反射して回折格子１６６に結像されるので、回折格子１６６上には、Ｙ３方向に広がるＸ字状のパターンとなる。このため、回折格子１６６上では、各界面による集光点１７３、１７４、１７５が互いに重ならなくなる。
【０１９０】
回折格子１６６に形成された集光点１７３、１７４、１７５は、レンズ１６８、１６９により拡大してラインセンサ１７０上に結像される。図３３に示すようにラインセンサ１７０の受光部は各界面による集光点の移動ライン１７６上に配置することで、ラインセンサ１７０より信号が得られ、各信号ピーク位置を求めることで、試料１１０の表面からの界面の位置を検出することができる。
【０１９１】
表面位置については、たとえば、試料１１０をレンズ１０９の試料側焦点位置より十分に離した位置より、すこしずつ近づけ最初に検出した信号を表面位置とすることで、検出できる。信号ピーク間距離からの界面位置の算出については、既知の界面間光学距離を持つ試料を予め測定しておき、そのときの信号ピーク間距離に対する界面間光学距離の係数を求めることで、任意の試料について信号ピーク間距離から、正確な表面からの各界面光学距離を得ることができる。試料の屈折率が与えられれば、試料表面からの各界面距離を算出することができる。
【０１９２】
上記実施の形態６に対して、本実施の形態８においては、ラインセンサ上において、各界面による反射光の像が集光点と重ならないので、ラインセンサ出力信号へのノイズが低減でき界面位置の測定精度を向上できる。また、試料への入射光と反射光とを完全に分離することで、光源からの光が直接受光部に混入することを防ぐことができ、さらに信号ノイズを低減できる。
【０１９３】
（実施の形態９）
図３４から図３６は、本発明の実施の形態９における界面位置測定装置５０９の模式図である。図３５は図３４のＡ矢視図であり、図３６は図３４のＢ矢視図である。
【０１９４】
１８０は光源１５１と異なる波長の単色光の点光源であり、たとえば半導体レーザなどである。光源の波長をλ２とする。
【０１９５】
１８１は光軸であり、図３５の紙面内にあり、光軸１８１と回折格子１５６との交点を通り、光軸１８１すなわち回折格子１５６の法線に対して角度φ８をなす。回折格子１５６に対して、光軸１５７が光軸１８１の正反射となるようにφ８＝θ８とする。
【０１９６】
１８２はレンズであり、光源１８０の射出光を平行光化する。
【０１９７】
１８５は光軸であり、図３６の紙面内にあり、光軸１６５と回折格子１６６との交点を通り、光軸１６７すなわち回折格子１６６の法線に対して角度φ９をなす。回折格子１６６に対して、光軸１８５が光軸１６５の正反射となるようにφ９＝θ９とする。
【０１９８】
１８３はレンズであり、レンズ中心および焦点位置が光軸１８５上に配置される。
【０１９９】
１８４は位置センサであり、レンズ１８３の焦点位置に中心が配置され、レンズ１８３による集光点の位置を測定する。たとえば、ＰＳＤや、ラインセンサなどである。
以上のように構成される界面位置測定装置５０９において、その測定動作を説明する。
【０２００】
光源１８０の射出光は、レンズ１８２により平行光化され回折格子１５６に入射する。回折格子１５６は波長λに最適化されているので、波長λ２に対しては、正反射成分が生じ、光軸１５７方向に光が反射する。回折格子１５６を射出した光は、レンズ１５８、１５９を通過し再び平行光となる。試料１１０の表面および内部界面は互いに平行で平坦であるので、反射光は、試料の傾き角の２倍の角度の平行光となる。試料１１０からの反射光はレンズ１６３、１６４を通過し、回折格子１６６で回折し、一部の光が光軸１８５近傍に戻る。このとき、光軸１８５とのなす角は、試料の傾斜角が小さいとほぼ試料傾斜角に比例する。回折格子１６６を反射しレンズ１８３を通過した光は、位置センサ１８４上に集光する。位置センサ１８４上の集光位置は、試料表面傾斜角にほぼ比例するので、試料表面傾斜角を求めることができる。
【０２０１】
本実施の形態９の界面位置測定装置５０９において、試料１１０の表面からの各界面の位置測定は上記実施の形態８と同様である。光源１５１からラインセンサ１７０で構成される上記実施の形態８の界面位置測定装置５０８では、試料表面に対し集光ライン１６２を傾斜させて界面との交点位置から表面から各界面位置までの距離を測定するので、試料１１０が傾斜すると、試料表面から各界面までの距離計測値に誤差が生じる。そこで、光源１８０から位置センサ１８４により計測される試料傾斜量を測定し、界面位置計測値を補正することで測定誤差を低減することができる。試料傾斜量による補正方法として、既知の界面間光学距離の試料を用い、試料を傾斜させたときの傾斜量に対する計測値の変化量を予め計測して傾斜係数として持つことにより、任意の試料に対して、試料傾斜角を計測し、傾斜係数を掛けることで誤差の少ない界面間光学距離を測定することができる。また、屈折率が与えられれば、界面間距離を算出できる。
【０２０２】
（実施の形態１０）
ここで、上記実施の形態８の界面位置測定装置を光ディスク層厚測定装置に適用した実施形態について具体的に説明する。上記実施の形態８の界面位置測定装置５０８が備えられた本発明の実施の形態１０にかかる光ディスク層厚測定装置３０１の模式図を図３８に示す。このような光ディスク層厚測定装置３０１は、光ディスクの製造工程において、光ディスクを構成するそれぞれの層厚が許容範囲内にて形成されているかどうかを測定するための装置である。
【０２０３】
図３８に示すように、光ディスク層厚測定装置３０１は、光ディスク３１０の下面全体を吸着して保持する吸着テーブル３１２と、吸着テーブル３１２を回転させて、吸着保持されている光ディスク３１０をその中心を回転軸として回転させる回転テーブル３１４と、この回転テーブル３１４を図示Ｘ軸方向、すなわち図３８の紙面の左右方向に移動させるＸ軸ステージ３１６とを備えている。なお、吸着テーブル３１２は、光ディスク３１０と同様に略円形状のディスク配置面を有しているが、その外形は光ディスク３１０の外形よりも僅かに小さくなるように形成されている。これは、後述する層厚測定において、吸着テーブル３１２のディスク配置面を光ディスク３１０の表面と誤って測定することを防止するためである。
【０２０４】
さらに、吸着テーブル３１２に吸着保持された光ディスク３１０と対向するように、上記実施の形態８の界面位置測定装置５０８が備えられており、界面位置測定装置５０８より出射された光が光軸１５７に沿って光ディスク３１０の表面に照射され、表面及び各界面よりの反射光が光軸１６５に沿って界面位置測定装置５０８のラインセンサ１７０に入射されるように構成されている。なお、図３８においては、模式図を簡単なものとするために、光軸１５７と光軸１６５を簡略化し、１本の光軸として示し、測定位置Ｍとして図示している。
【０２０５】
また、光ディスク層厚測定装置３０１においては、界面位置測定装置５０８による測定動作を制御する制御装置３０９が備えられている。制御装置３０９は、ラインセンサ１７０における光強度の分布データが入力され、当該データに基づいて界面位置を算出する界面位置算出手段、この界面位置に基づいて層厚を測定する層厚測定手段、及び、層厚測定手段による測定結果を予め設定されている層厚の許容値と比較して、許容値を超えている層厚を有する光ディスクを不良光ディスクとして特定する不良ディスク特定手段とを備えている。また、３１５は回転テーブル用モータコントローラであり、３１７はＸ軸ステージ用モータコントローラであり、これらのコントローラ３１５、３１７が制御装置３０９により制御されることで、界面位置測定装置５０８の測定位置Ｍを、光ディスク３１０の表面上において走査させることが可能となっている。なお、３１８は真空バルブであり、その開閉動作が制御装置３０９により制御されることで、吸着テーブル３１２による光ディスク３１０の吸着保持／保持解除が制御される。
【０２０６】
このような構成の光ディスク層厚測定装置３０１において、光ディスク３１０の層厚測定の動作を説明する。
【０２０７】
まず、図３８に示すように、吸着テーブル３１２上に、測定対象物（試料）である光ディスク３１０を配置して、吸着保持させる。次に、回転テーブル３１４により吸着テーブル３１２の回転動作を開始し、所定の回転速度にて吸着保持されている光ディスク３１０を回転させる。
【０２０８】
このような状態において、図３９に示すように、Ｘ軸ステージ３１６をＸ軸方向に移動させて、界面位置測定装置５０８の測定位置ＭをＸ軸方向に移動させる。具体的には、図４０の模式図に示すように、光ディスク３１０の表面上において、螺旋状の測定軌跡３０８を測定位置Ｍが通過するように、Ｘ軸ステージ３１６の移動経路及び速度が制御される。
【０２０９】
また、このような測定位置Ｍが螺旋状の測定軌跡３０８にて移動されながら、光の出射及び反射光のラインセンサ１７０への入射が連続的に行われる。この測定結果情報は、制御装置３０９に入力され、予め設定されている層厚の許容値と測定結果が比較されて、例えば光ディスク３１０の良否判定等が行われる。このように良否判定等が行われることで、例えば、光ディスクの製造工程において、不良光ディスクと特定された光ディスクを、製造工程から外したり、あるいは廃棄したりする等の適切な処理を行うことができ、効率的な製造工程を実現することができる。
【０２１０】
（実施の形態１１）
次に、本発明の実施の形態１１にかかる光ディスク層厚測定装置４０１の模式図を図４１に示す。上記実施の形態１０の光ディスク層厚測定装置３０１では、光ディスク３１０を吸着テーブル３１２の略全面に吸着保持させることで、回転中に生じる可能性があるディスク面のぶれが生じないようにしている。これに対して、本実施の形態１１の光ディスク層厚測定装置４０１では、上記実施の形態９の界面位置測定装置５０９を備えさせて、層厚測定を行うと同時に、測定位置における光ディスク３１０の傾斜を測定して、その傾斜測定値に基づいて、層厚測定値を補正するようにしている。なお、図３８の層厚測定装置３０１と同じ構成には、同じ参照番号を付して、その説明を省略する。
【０２１１】
図４１に示すように、光ディスク層厚測定装置４０１は、保持テーブル４１２と回転テーブル４１４とを備えているが、保持テーブル４１２は、例えば配置される光ディスク３１０を吸着ではなく機械的な係合により保持する点において、上記実施の形態１０の吸着テーブル３１２とは異なる構成を有している。また、界面位置測定装置５０９においては、光軸１５７に沿って光ディスク３１０の表面に光を照射し、その表面又は界面よりの反射光を光軸１６５に沿って入射させてラインセンサ１７０に取り込んで、界面位置、すなわち層厚の測定が行われるとともに、位置センサである傾斜センサ１８４にも光が取り込まれて、測定位置における光ディスク３１０の傾斜状態が検出される。
【０２１２】
具体的には、図３９及び図４０に示すように、光ディスク３１０の表面において螺旋状の軌跡３０８にて測定位置Ｍを走査させながら、層厚測定を行うとともに、その個々の測定位置における光ディスク３１０の傾斜状態を傾斜センサ１８４により測定する。ラインセンサ１７０による光強度の分布情報と、傾斜センサ１８４による傾斜状態の情報とは、その測定位置Ｍの情報に関連付けて、制御装置４０９に入力され、制御装置４０９にて光強度の分布情報により算出された層厚測定結果が、傾斜状態の情報に基づいて補正され、補正された層厚測定結果が測定結果として出力可能に保持される。
【０２１３】
本実施の形態１１の層厚測定装置４０１では、層厚測定結果を角度状態により補正を行っているため、ディスク面にぶれが生じるような場合であっても、確実に層厚を測定することができ、高速な測定を行いながらその測定精度を高めることができる。
【０２１４】
（実施の形態１２）
以下本発明の実施の形態１２について、図４２から図５０を参照しながら説明する。
【０２１５】
図４２から４４は、本発明の実施の形態１２における界面位置測定装置５１０の模式図である。
【０２１６】
実施の形態１２では、上記実施の形態８と同じく、試料に対して斜め方向から光を入射し、正反射方向へ反射する光を入射光学系とは別の回折格子を備えた受光光学系によりラインセンサ上に集光点を形成するものである。
【０２１７】
図４２は、試料表面の法線方向を紙面内にとった図である。図４２のＡ矢視図を図４３、Ｂ矢視図を図４４に示す。
【０２１８】
実施の形態１２は、実施の形態８の構成に加えて、レンズ１６３を移動させるための移動ステージ２００を更に備える。移動ステージ２００は、ステージ制御ユニット２０１からの指令に従って、ステージ制御ユニット２０１からの指令量だけ移動ステージ２００を方向２０２に移動させるものである。移動ステージ２００は、ピエゾやステッピングモータを用いた並行移動ステージである。方向２０２については、図５０を用いて後述する。
【０２１９】
図４４において、２０３は演算ユニットであり、ラインセンサ１７０の出力を入力とし、ラインセンサ１７０の信号波形より、ピーク位置を検出し、試料の表面１１７ａおよび内部界面位置を求めるものである。図４２から４４では図示していないが、有線などで演算ユニット２０３の演算結果をステージ制御ユニット２０１に指令することが可能な構成となっている。そして、試料表面位置に対応するピーク位置がラインセンサ上で常に一定位置となるように移動ステージ２００を制御する。
【０２２０】
ここで、試料１０は、図示していない吸着テーブルに配置される。吸着テーブルは、回転ステージおよびＸ軸ステージ上に配置される。回転ステージとＸステージとの組み合わせでは、らせん状に計測することで試料１０を高速に計測できる。
【０２２１】
以上のように構成された実施の形態１２による界面位置測定装置の動作について説明する。
【０２２２】
光源１５１から射出された平行光は、円筒レンズ１５４の円筒軸に垂直な断面内では円筒レンズ１５４により集光された後、レンズ１５５により再び平行光化される。一方、円筒レンズ１５４の円筒軸に平行な断面内では、円筒レンズ１５４を通過し、レンズ１５５により焦点位置にある回折格子１５６上に集光する。従って、図４５に示すように、回折格子１５６上に集光ライン１７１が形成される。形成された集光ライン１７１は、回折格子１５６により回折し、光軸１５７方向に射出する。レンズ１５８の入射側焦点位置近傍に形成された回折格子１５６上の集光ライン１７１の像が、レンズ１５８、１５９により、レンズ１５９の焦点位置近傍に結像される。レンズ１５９の焦点位置近傍には試料１０が配置され、試料１０内の測定対象界面群と交差するように集光ライン１６２が形成される。
【０２２３】
試料１０の各界面からの反射光は、レンズ１６３、１６４により図４６に示すような光強度分布で回折格子１６６に結像される。試料１０の第１界面（表面）１１７ａによる反射光は、図４２において、光軸１６５から離れた位置からレンズ１６３に入射することになる。そのため、回折格子１６６上でもＸ３正方向に集光点１７５が形成される。また、第２界面１１７ｂによる反射光は光軸１６５近傍にあるので、回折格子１６６と光軸１６５との交点近傍に集光点１７４が形成される。同様に、第３界面１１７ｃによる反射光は、Ｘ３負方向に集光し集光点１７３が形成される。このとき、集光点間の距離は、試料１０の界面間の距離に比例する。
【０２２４】
また、回折格子１５６上でＹ１方向の集光ライン１７１は、界面で反射して回折格子１６６に結像されるので、回折格子１６６上には、Ｙ３方向に広がるＸ字状のパターンとなる。このため、回折格子１６６上では、各界面による集光点１７３、１７４、１７５が互いに重ならない状態で現れる。
【０２２５】
回折格子１６６に形成された集光点は、レンズ１６８、１６９により拡大してラインセンサ１７０上に結像される。図４７に示すように、ラインセンサ１７０の受光部は各界面による集光点の移動ライン上に配置することで、ラインセンサ１７０より信号が得られ、各信号ピーク位置を求めることで、試料１０の表面からの界面の位置を検出することができる。
【０２２６】
また、表面位置については、たとえば、試料１０をレンズ１５９の試料側焦点位置より十分に離した位置より少しずつ近づけ、最初に検出した信号を表面位置とすることで判別できる。信号ピーク間距離からの界面位置の算出については、任意の試料について信号ピーク間距離から、正確な表面からの各界面光学距離を得ることができる。正確な表面からの各界面光学距離は、既知の界面間光学距離を持つ試料を予め測定しておき、そのときの信号ピーク間距離に対する界面間光学距離の係数を求めることで試料の屈折率を求め、その屈折率を用いて試料表面からの各界面距離を算出することができる。
【０２２７】
ここで、試料１０と空気中とでは屈折率が違うため、集光ラインが空気中に形成された場合と試料中に形成された場合で、集光ラインのライン方向が異なる。具体的には、試料全面を計測するために試料位置を移動するなどして試料１０の高さが変化すると、図４６に示すように、回折格子１６６上の集光点１７５は、試料１０の界面による集光ラインとずれたライン２０４の方向に移動する。従って、試料表面の大きな高さ変化があると、ラインセンサ上で集光点が大きくなり、近接層の分離が困難となる。
【０２２８】
そこで、本実施の形態１２においては、試料１０の高さが変化したときでも、試料１０の表面からの反射光によるラインセンサ上での集光点の位置が変化しないように、方向２０２に沿ってレンズ１６３の位置を調整し、ラインセンサ上での集光点の位置を保持する。
【０２２９】
図４８は、図４２と同じ方向から見た場合のレンズ１６３近傍の拡大図である。図４８において、試料表面１１７ａが紙面上方向に変位して１１７ａ´に位置することで、集光ライン２０５と試料表面との交点は、図４８の紙面左上方向に移動する。このため、レンズ１６３、１６４により回折格子１６６上に結像する集光点の位置もＰ５からＰ６に変化する。しかし、図４９に示すように、移動ステージ２００により、レンズ１６３を集光ライン２０５と平行な方向に動かすことで、表面１１７ａ´で反射され、レンズ１６３で集光された光の集光位置が、表面１１７ａで反射した場合の集光位置と等しくなる。従って、レンズ１６３からの射出光の方向は変化しなくなり、レンズ１６４により回折格子１６６上に集光する位置は一定となる。
【０２３０】
従って、演算ユニット２０３により、試料表面１１７ａ´による受光部での集光点１７５の位置と予め決めたラインセンサ１７０での基準位置とが等しくなるように、ステージ制御ユニット２０１により、移動ステージ２００を方向２０２に移動させる。これにより、ラインセンサ１７０での試料表面に対応した集光点の位置が一定位置となる。そのため、小さなサイズの集光点で計測することができる。
【０２３１】
次に図５０を用いて、移動ステージ２００が移動する方向２０２について説明する。
【０２３２】
図５０は、回折格子１５６上に形成した集光ライン１７１と光軸１５７を含む断面を示す。集光ライン１７１と光軸１５７とのなす角をφ６とし、このときの、集光ライン２０５と光軸１５７とのなす角をφ７とする。方向２０２は、集光ライン２０５と平行であり、図５０の面内で光軸１５７に対しφ７の角度となる。集光ライン１７１と光軸１５７とを含む断面内で、光軸１５７に対してφ７の傾きを有する直線と平行な方向が、方向２０２である。ただし、φ７は、
【０２３３】
【数１５】
0004773329.tif 000016
より定まり、φ６は、集光ライン１７１の光軸１５７を含む断面内での光軸１５７に対する集光ライン１７１の角度であり、ｆ１１はレンズ１５８の焦点距離、ｆ１２はレンズ１５９の焦点距離である。
【０２３４】
集光ライン１７１上の高さｈ１、距離ｓ１にある点Ｐ１１から角度φ１０で射出する光線を、光線２０６とする。この光線２０６がレンズ１５８、１５９により集光ライン２０５上の高さｈ２、距離ｓ２にある点Ｐ１２に集光すると仮定すると、光線方向ｕ１、ｕ２は、
【０２３５】
【数１６】
0004773329.tif 000017
となる。レンズ１５８の焦点距離をｆ１１、レンズ１５９の焦点距離をｆ１２とし、点Ｐ１１から点Ｐ１２までの幾何光線追跡を行う。レンズ１５８の前側焦点位置が集光ライン１７１と光軸１５７の交点であり、レンズ１５８の後側焦点とレンズ１５９との前側焦点位置が一致し、レンズ１５９の後側焦点が集光ライン２０５と光軸１５７との交点となるように配置されているので、光線方程式は、（式１７）となる。
【０２３６】
【数１７】
0004773329.tif 000018
ここで、Ｓｄ（ｘ）は距離ｘ光線を進める行列、Ｓｆ（ｘ）は焦点距離ｘのレンズを示し、（式１８）となる。
【０２３７】
【数１８】
0004773329.tif 000019
【０２３８】
ここで、（式１７）を計算すると（式１９）となる。集光ライン上では、光線方向ｕ１によらず（式１８）がなりたつので、ｕ１についての恒等式を解くと（式２０）となる。
【０２３９】
【数１９】
0004773329.tif 000020
【０２４０】
【数２０】
0004773329.tif 000021
【０２４１】
（式１６）、（式２０）および、  ｈ１／ｚ１＝ｔａｎ（φ６）、ｈ２／ｚ２＝ｔａｎ（φ７）  より、（式２１）が得られる。
【０２４２】
【数２１】
0004773329.tif 000022
【０２４３】
式２１は、回折格子上の集光ライン１７１の方位と、レンズ１５８、１５９の焦点距離により方向２０２が決まることを示している。方向２０２は、集光ライン１７１と光軸１５７を含む断面内において、光軸１５７に対し、φ７の角度となる。
【０２４４】
本実施の形態１２によれば、ラインセンサ上において、各界面による反射光の像が集光点と重ならないので、ラインセンサ出力信号へのノイズが低減でき界面位置の測定精度を向上できる。また、試料への入射光と反射光とを完全に分離することで、光源からの光が直接受光部に混入することを防ぐことができ、さらに信号ノイズを低減できる。
【０２４５】
また、ディスク表面の高さ変化に対して、試料表面によるラインセンサ上でのピーク位置が一定になるようにレンズ１６３を制御することで、ラインセンサ上でのスポット波形が歪まないので高精度な膜厚測定を試料全面について計測することができる。
【０２４６】
なお、光源としては十分に平行光化された光を射出できるものを用いることが好ましく、ＬＥＤ、ハロゲンランプ、高圧水銀灯、キセノンランプなどのインコヒーレント光源の射出光をフィルターで単色化し平行光化してもよい。
【０２４７】
なお、フレネル円筒レンズは、レンズの厚さ等の問題が解決できるのならば、シリンドリカルレンズでもよい。
【０２４８】
なお、フレネル円筒レンズは、ゾーンプレートなどの回折平板レンズでもよい。
【０２４９】
なお、フレネル円筒レンズの傾斜角θを、反時計周りを正とし、  ０＜θ＜９０°  としたが、時計周りを正とし、  ０＜θ＜９０°  としても矛盾はない。
【０２５０】
なお、レンズ開口数を小さくすることでフレネル円筒レンズの代わりに球面円筒レンズを用いてもよい。
【０２５１】
なお、スリット板の開口形状を矩形としたがこれに限定されるものではない。
【０２５２】
なお、レンズは組レンズを用いて、より収差を低減させてもよい。
【０２５３】
なお、受光部をラインセンサとしたが、エリアセンサを用い円筒レンズの焦点ライン上の光強度を検出してもよい。
【０２５４】
なお、プレートハーフミラーを用いたが、キューブ型のミラーを用いてもよい。
【０２５５】
なお、ラインセンサのＹ軸方向の受光面の幅をラインセンサ上での集光点より小さいとしたが、ラインセンサの受光面上に集光点程度の幅のスリットを配置して光を制限してもよい。
【０２５６】
なお、スリット板の位置を光源側に配置したが、フレネル円筒レンズの入射面あるいは、射出面に配置してもよい。あるいは、円筒レンズの入射面あるいは射出面に配置してもよい。
【０２５７】
なお、透過型回折格子を試料表面と平行に配置したが、傾斜して配置してもよい。ＸＺ面内において、回折格子を傾斜させても試料内に直線状の集光点列８が形成されるので、平行な場合と同様に試料内反射界面位置を計測することができる。
【０２５８】
なお、スリット板により、試料内での集光点位置ずれを防いでいるが、スリット板の代わりに球面収差補正素子により、試料内で生じる球面収差の逆収差を予め光束に与えることで、焦点位置のずれを防いでもよい。ただし、球面収差補正素子により、試料内での球面収差を補正するときは、集光点列と試料表面とのＺ軸方向の距離に応じて収差量を変える必要がある。スリット板を用いる方法では、このような動的な収差補正が必要ないので、装置の簡単化、低コスト化が可能となる。
【０２５９】
なお、回折格子をブレーズ型としたが、矩形断面形状あるいは、正弦波断面形状としてもよい。しかしながら、これらの回折格子の形状では回折効率は低くなる。
【０２６０】
なお、１次回折光を用いて説明したが、２次以上の回折光を用いても良い。しかしながら、次数が高い回折光を用いると、効率が低くなる。
【０２６１】
なお、試料表面の傾斜角の測定を試料に対して斜め方向からレーザ光を入射し、反射光の角度変化で測定してもよい。
【０２６２】
なお、試料表面の傾斜角の測定を試料の膜厚測定用の光源と異なる波長の光源を用い、波長フィルターにより膜厚測定光と試料傾斜角測定光とを分離してもよい。
【０２６３】
なお、光源として、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、ＬＥＤ、水銀ランプなどを用いても良い。
【０２６４】
なお、基板で反射した光強度の強弱より、層を構成する材質、層の透過率、もしくは層の不純物含有率を推定できる可能性もある。
【０２６５】
なお、試料は、屈折率の異なる光を透過する基板の重ね合わせでもよい。あるいは、空気層を有してもよい。この場合は、各層の屈折率に基づいてスネル則より、入射角から屈折角及び出射角が求まる。
【０２６６】
なお、角度φは、回折方向が光軸となるように波長λに対する回折方程式ｓｉｎφ−ｓｉｎθ＝λ／ｐを満たすようにしてもよい。
【０２６７】
なお、光源からの回折格子へ入射する光と回折格子からの戻り光とを、λ／４波長板と偏光ビームスプリッタを用いて分離してもよい。このようにすることで光効率が向上する。
【０２６８】
なお、レンズは円筒レンズとし、試料の紙面内傾斜方向のみを計測できるようにしてもよい。
【０２６９】
なお、回折格子上に形成する集光ラインを格子溝方向と垂直方向としたが、わずかに角度をもってもよい。ただし、上記実施の形態６、上記実施の形態７では格子溝方向と集光ラインが平行となると計測できなくなる。上記実施の形態８、上記実施の形態９では、格子溝方向と集光ラインが平行になっても計測は可能であるが、互いの集光点が界面反射と重なるので信号ノイズとなる。
【０２７０】
なお、上記実施の形態６から上記実施の形態９での回折格子は、透過型を用いても良い。ただし、格子基板の厚みにより生じる収差の補正が必要となる。
【０２７１】
なお、本発明の界面位置測定方法、層厚測定方法、及び、光ディスクの製造方法によれば、試料の界面位置を高速、かつ、高精度に測定することができるため、光ディスクや多層フィルムなど、多層基板の層厚測定の用途にも適用できる。
【０２７２】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【０２７３】
なお、集光ライン７１の方位をＹ１軸方向としたが、これ以外の方位でもよい。
【０２７４】
なお、光源１、５１、１５１は、ＳＬＤ、すなわちスーパールミネッセントダイオード、ＬＥＤ、有機発光素子でもよい。あるいは、水銀ランプの射出光をフィルターで単色化し平行光化してもよい。
【０２７５】
なお、試料は、屈折率の異なる光を透過する基板の重ね合わせでもよい。あるいは、空気層を有してもよい。
【０２７６】
なお、回折格子から試料面への結像を、２枚のレンズを互いの焦点が重なるように配置したが、その配置はこれに限定されるものではない。また、レンズ枚数も２枚でなく、同等の機能を備える光学系であれば、１枚あるいは、３枚以上のレンズ群で構成してもよい。
【０２７７】
なお、試料１０を回転ステージとＸステージによりらせん状に計測するとしたが、回転ステージを２つ組み合わせることでらせん状の計測をしてもよい。また、Ｘステージを２つ組み合わせることで、全面計測を行ってもよい。
【０２７８】
なお、レンズ１６３に対して質量がかなり大きいので、高速に応答させることが難しいが、試料の高さ変化の影響を防ぐために受光光学系の全体（レンズ６３からカメラ７０まで）を動かしてもよい。あるいは、質量がさらに大きくなるので、高さ変化に高速に応答することが難しいが、光学系全体の高さを変化させてもよい。あるいは、一般的にレンズ６３に対して質量がかなり大きいので、高さ変化に高速に応答することが難しいが、試料保持テーブルに高さ調整機構をつけ、試料表面が一定になるようにしてもよい。
【０２７９】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０２８０】
【図１】本発明の実施の形態１における界面位置測定装置の模式図
【図２】上記実施の形態１における界面位置測定装置のＺ断面図
【図３】上記実施の形態１におけるスリットの形状図
【図４】上記実施の形態１におけるフレネル円筒レンズの形状図
【図５】上記実施の形態１におけるＹＺ面の光路図
【図６】上記実施の形態１におけるＸＺ面の試料内光路図
【図７】本発明の実施の形態２における界面位置測定装置の模式図
【図８】上記実施の形態２における界面位置測定装置のＺ断面図
【図９】上記実施の形態２におけるスリットの形状図
【図１０】上記実施の形態２におけるフレネル扇形円筒レンズの形状図
【図１１】本発明の実施の形態３における界面位置測定装置の模式図
【図１２】上記実施の形態３における界面位置測定装置のＺ断面図
【図１３】上記実施の形態３における集光点列傾斜角の説明図
【図１４】本発明の実施の形態４における界面位置測定装置の模式図
【図１５】上記実施の形態４における界面位置測定装置のＺ断面図
【図１６】上記実施の形態４における集光点列傾斜角の説明図
【図１７】本発明の実施の形態５における界面位置測定装置の模式図
【図１８】上記実施の形態５における界面位置測定装置のＺ断面図
【図１９】上記実施の形態５における界面位置測定装置のＸＺ断面図
【図２０】上記実施の形態５における試料内部の集光点列を示す図
【図２１】上記実施の形態５の集光点列と表面および反射界面との位置関係を示した図
【図２２】本発明の実施の形態６における界面位置測定装置の模式図
【図２３】上記実施の形態６における回折格子上の光強度パターンを示す図
【図２４】上記実施の形態６における回折格子上の戻り光強度パターンを示す図
【図２５】上記実施の形態６におけるラインセンサ上の光強度パターンを示す図
【図２６】回折格子による光の回折における一般的現象を説明する図
【図２７】本発明の実施の形態７における界面位置測定装置の模式図
【図２８】本発明の実施の形態８における界面位置測定装置の模式図
【図２９】上記実施の形態８におけるＡ矢視図
【図３０】上記実施の形態８におけるＢ矢視図
【図３１】上記実施の形態８における回折格子上の光強度パターンを示す図
【図３２】上記実施の形態８における反射光の回折格子上の光強度パターンを示す図
【図３３】上記実施の形態８におけるラインセンサ上の光強度パターンを示す図
【図３４】本発明の実施の形態９における界面位置測定装置の模式図
【図３５】上記実施の形態９におけるＡ矢視図
【図３６】上記実施の形態９におけるＢ矢視図
【図３７】従来の光学顕微鏡が用いられた界面位置測定装置の構成を示す図
【図３８】本発明の実施の形態１０における光ディスク層厚測定装置の構成を示す模式図
【図３９】上記実施の形態１０の層厚測定装置における層厚測定動作の説明図
【図４０】上記実施の形態１０の層厚測定装置における層厚測定動作の説明図
【図４１】本発明の実施の形態１１における光ディスク層厚測定装置の構成を示す模式図
【図４２】本発明の実施の形態１２における界面位置測定装置の模式図
【図４３】上記実施の形態１２におけるＡ矢指図
【図４４】上記実施の形態１２におけるＢ矢指図
【図４５】上記実施の形態１２における回折格子上の光強度パターンを示す図
【図４６】上記実施の形態１２における反射光の回折格子上の光強度パターンを示す図
【図４７】上記実施の形態１２におけるラインセンサ上の光強度パターンを示す図
【図４８】上記実施の形態１２におけるレンズ１６３近傍の拡大図
【図４９】上記実施の形態１２におけるレンズ１６３近傍の拡大図
【図５０】上記実施の形態１２における光軸１５７近傍の拡大図
【符号の説明】
【０２８１】
１  光源
２  スリット板
３  ハーフミラー
４  フレネル円筒レンズ
５  試料
６  試料表面
７、８  集光点列
９  反射界面
１０、１１  円筒レンズ
１２  ラインセンサ
１５、１６  光軸
１７、１８  光束
【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】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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