(57)【要約】 【課題】  平板状基材の表面に周期的間隔を有する複数本の溝を加工する加工手段の加工性能を光学的手段によって効率的かつ定量的に評価することが可能な加工手段の性能評価方法及びこれを用いた加工性能評価システムを提供する。【解決手段】  予め溝間隔の目標値を指定して溝状加工を行った基材表面に対して、所定波長の光を照射し、観測された回折光の強度から加工された溝間隔を算出し、予め指定した溝間隔の目標値に対する回折光の強度から算出した溝間隔の値の変動量を評価する。とくに回折光の強度に主ピークとともに生じる副ピークの波長もしくはその強度を用いて、加工装置に指令した溝間隔の目標値に対する上記の回折光の強度から算出した溝間隔の値の変動量を求める。【選択図】      図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状基材の表面に周期的間隔を有する複数本の溝を加工する加工手段の性能評価方法であって、
予め溝間隔の目標値を指定して溝状加工を行った前記基材表面に対して、所定波長の光を照射し、観測された回折光の強度から加工された溝間隔を算出し、予め指定した溝間隔の目標値に対する前記回折光の強度から算出した溝間隔の値の変動量を評価することを特徴とする加工手段の性能評価方法。
【請求項２】
平板状基材の表面に周期的間隔を有する複数本の溝を加工する加工装置に対して、溝間隔の目標値を指令するステップと、
該指令により溝状加工を行った基材表面に対して所定波長の光を照射し、回折光の強度を観測するステップと、
該回折光の強度から加工された前記溝間隔を算出するステップと、
前記加工装置に指令した溝間隔の目標値に対する前記回折光の強度から算出した溝間隔の値の変動量を求めるステップと、
からなることを特徴とする請求項１に記載の加工手段の性能評価方法。
【請求項３】
前記加工装置に対して指令する溝間隔の目標値が、１つの値からなり、等間隔の溝を形成する指令であることを特徴とする請求項２に記載の加工手段の性能評価方法。
【請求項４】
前記加工装置に対して指令する溝間隔の目標値が、複数の異なる値からなり、溝間隔が所定の溝本数ごとに周期性をもつような溝を形成する指令であることを特徴とする請求項２に記載の加工手段の性能評価方法。
【請求項５】
前記回折光の強度の主ピークとともに生じる副ピークの波長もしくはその強度を用いて、前記加工装置に指令した溝間隔の目標値に対する前記回折光の強度から算出した溝間隔の値との変動量を求めることを特徴とする請求項1または２に記載の加工手段の性能評価方法。
【請求項６】
加工条件を加工装置に指令するとともに、加工装置周辺の環境に関わるデータを収集し、前記加工条件と合わせてデータを送信するデータ集積部と、
前記加工装置により加工がなされた溝基板により反射もしくは透過した回折光に関しての光学特性から溝間隔を解析するデータ解析部と、
前記データ集積部より送信されるデータ、およびデータ解析部より解析されたデータを合わせて評価することにより加工装置の性能を評価する性能評価部と、
から構成されていることを特徴とする加工性能評価システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溝状加工を行う加工手段の性能評価方法に関し、とくに光学素子等を製造するための精密溝加工手段の性能評価方法及びこれを用いた性能評価システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
回折格子や光導波路等の光学素子の製作のために、基板表面に精度よく溝を加工する方法および装置が強く要求されている。そのため各種の高精度加工装置の開発がなされている。また工作機械の運動部の性能を測定、解析することによって加工装置の性能評価を行うシステムが、例えば特許文献１に開示されている。
【０００３】
一方で、加工の特性は、加工装置の特性のみならず、被加工物の特性や加工装置周辺の環境等から多くの影響を受けるために、最終的には、実際に加工がなされた被加工物を評価することによって加工装置の評価を行うことが必要となる。
【０００４】
従来、溝加工における加工性能を評価するために、被加工物に光を照射して回折を生じさせ、その回折角を評価する手法が知られている。この手法を用いて、溝加工の精度のうち、特に溝の間隔についての加工性能を評価することができる。
また顕微鏡による観察および、形状測定器等の接触式の測定器によっても被加工物の溝間隔の測定を行い、加工性能を評価することができる。
【０００５】
一方で回折格子の特性評価として、回折光を所定の角度で受光し、測定波長に対して受光部で受ける光の強度の変化を読み取る評価法が知られている。溝の間隔が一定で、溝間隔が正確に揃っているような加工がなされている格子においては、回折次数に対応した所定の波長近傍において、受光部での光量が鋭く増加するような、波長−光強度分布曲線が得られる。回折格子に関わる開発の多くは、このような波長−光強度分布曲線において、鋭い強度ピークを得ることを目標として行われている。
【特許文献１】特開２００３−１０８６０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし従来のように、回折角により溝の間隔を評価する手法では、溝加工状態に関わる情報を十分に評価することができないという問題がある。溝加工の状態によって、入射光のスポット形状に対して回折光のスポット形状は異なり、変形した形状をとる場合がある。そのために、回折角を一意に決定することが困難であることが多く、この回折角の測定誤差が溝間隔の評価精度の低下をもたらす。また、溝間隔に周期的なばらつきがあるような場合においても、この方法では詳細な加工の状態を評価することができない。
【０００７】
さらに、加工装置では、機械の周期的な送りむらが発生することが知られており、また、温度変化等の外的な環境の影響を受けることが知られている。このような時間経過に対して周期的な変動は、溝間隔の周期的な変動要因となり、このために、一つの回折次数に対して、複数の回折角を持つような光学特性を示すようになる。このような場合においても回折角を一意に決定することは困難である。そのため、回折角を測定する手法によって得られる情報は、光のスポットが当てられた複数の溝について、平均的な間隔の情報が得られるのみである。
【０００８】
また顕微鏡による観察および、形状測定器等の接触式の測定器によって被加工物の溝間隔の測定を行うような方法においては、基板面の広い面積について評価を行うことに対して制限が大きいという問題がある。これらの評価手法では評価面積が大きいほど測定の精度が低下するという問題がある。そのため、広い溝間隔の加工条件、または多数の溝加工を行うような加工条件においてはサブミクロンの精度で溝の間隔を評価することは非常に困難である。また、分解能の高い評価を行うためには高価な装置が必要となる。また接触式の測定器については被加工物に接触子の跡をつけ、機械的に損傷を与えるという問題がある。
【０００９】
また回折格子の特性評価として行われている、回折光を所定の角度で受光し、波長に対する受光量を観測するという手法については、積極的に加工装置の加工精度と波長に対する回折強度変化との関係を結び付け、これにより加工装置の評価を行うというような手法が開発されていない。そのため得られた測定結果から加工装置の加工特性を効率的に、また定量的に評価することができない。
【００１０】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、平板状基材の表面に周期的間隔を有する複数本の溝を加工する加工手段の加工性能を光学的手段によって効率的かつ定量的に評価することが可能な加工手段の性能評価方法及びこれを用いた加工性能評価システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、平板状基材の表面に周期的間隔を有する複数本の溝を加工する加工手段の性能評価方法に関するものであって、予め溝間隔の目標値を指定して溝状加工を行った基材表面に対して、所定波長の光を照射し、観測された回折光の強度から加工された溝間隔を算出し、予め指定した溝間隔の目標値に対する回折光の強度から算出した溝間隔の値の変動量を評価することを要旨とする。
この評価方法によれば、溝間隔の周期的な誤差について光学的に非接触で評価が可能である。
【００１２】
請求項２に係る発明は、平板状基材の表面に周期的間隔を有する複数本の溝を加工する加工装置に対して、形成する溝間隔の目標値を指令するステップと、その指令により溝加工を行った基材に対して所定波長の光を照射し、回折光の強度を観測するステップと、回折光の強度から加工された溝間隔の値を算出するステップと、加工装置に指令した溝間隔に対する回折光の強度から算出した溝間隔の値の変動量を求めるステップとからなることを要旨とする。
【００１３】
この評価方法によれば、溝間隔の周期的な誤差について評価が可能であり、加工装置の周期的な送り誤差、温度変化を原因とした加工誤差を検出することが可能である。また加工面積の大きさについての制約が少なく、長時間にわたる加工で広い面積を加工するような加工形態においても、加工状態の時間に対する変化を評価することが可能である。
【００１４】
請求項３に係る発明は、加工装置に指令する溝間隔の目標値は、１つの値からなり、等間隔の溝を形成する指令であることを要旨とする。
この評価手法により溝の周期的な誤差の有無を容易に評価することが可能である。
【００１５】
請求項４に係る発明は、加工装置に指令する溝間隔の目標値が、複数の異なる値からなり、溝間隔が所定の溝本数ごとに周期性をもつように溝を形成する指令であることを要旨とする。
指令値に周期性を持たせることにより、指令値に対する加工装置の応答性を容易に評価することが可能となり、特に非周期的な送り誤差を評価することができる。
【００１６】
請求項５に係る発明は、回折光の強度に主ピークとともに生じる副ピークの波長もしくはその強度を用いて、加工装置に指令した溝間隔の目標値に対する上記の回折光の強度から算出した溝間隔の値の変動量を求めることを要旨とする。
指令値に周期性を持たせることにより、回折光に比較的大きな強度をもつ副ピークが生じるように、溝の状態を設計し、この指令値により算出される副ピークと、実際に加工がなされた基材の副ピークの比較を行う。周期的な送り誤差をもった溝加工物について、副ピークの発生する波長は周期誤差の周期について解析が可能であり、また副ピークの強度は周期誤差の振幅の解析が可能である。これらの情報を評価することにより加工装置の評価が可能となる。
【００１７】
請求項６に係る発明は、本評価システムが、加工条件を加工機に指令するとともに、加工装置周辺の環境に関わるデータを収集し、この加工条件と合わせてデータを送信するデータ集積部と、加工装置により加工がなされた溝基板により反射もしくは、透過した回折光に関しての光学特性から溝の間隔を解析するデータ解析部と、データ集積部より送信されるデータ、およびデータ解析部より解析されたデータを合わせて評価により加工装置の性能を評価する性能評価部と、から構成されていることを要旨とする。
この評価システムにより加工装置の加工状態の詳細を容易に評価することができる。
【００１８】
このような加工装置の性能評価方法を効率的に収集、蓄積するシステムを構築することによって、従来においては想定外、または容易に算出できない条件データなどについても、幅広く対応した解析を実施することができ、これにより解析精度が向上する。したがって、加工条件に関わる開発期間の短縮、開発費の削減、開発効率の向上といった点で十分な効率をあげることが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によれば、溝加工を行う加工手段によって得られた溝間隔の周期的な誤差について光学的に非接触で評価することができる。とくに回折光に比較的大きな強度をもつ副ピークが生じるように、溝の状態を設計することにより、周期的な送り誤差をもった溝加工物について、副ピークの発生する波長から周期誤差の周期について解析が可能となり、また副ピークの強度からは周期誤差の振幅の解析が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の具体的な実施形態について添付図面に基づき説明する。
［第１の実施形態］
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は本発明の加工装置の性能評価方法の概略を示したブロック図である。この加工装置は基板表面にＶ字状の溝を加工する機能を備えている。
本発明の評価は、図１に示すように、評価の対象となる加工装置１に対して、データの処理を行うデータ処理部２と、被加工物の光学評価を行う光学評価装置３とを用いて行う。
【００２１】
データ処理部２はデータの送受信を行うデータ集積部２１と、光学特性から基板の加工状態を解析するデータ解析部２２と、加工条件および基板の加工状態から加工性能を評価する性能評価部２３と、からなる。
また加工装置１は加工環境検出部１１と、加工を行う運動機構部１２を備えている。
【００２２】
一例として以下に所定の加工条件において溝間隔が一定の溝を成形するような指令を与える場合について評価の手順を示す。先ず工具種類、被加工材種類、加工速度、加工雰囲気、溝間隔、溝本数等の加工条件データ１０１をデータ集積部２１に入力する。データ集積部２１は入力された加工条件のうち、加工速度、溝間隔、溝本数のデータについて数値制御（ＮＣ）コードへの変換を行い、変換されたＮＣデータ１０２を加工装置１に送信する。
【００２３】
送信されたNCデータにしたがって、運動機構部１２は溝加工を行い、加工環境検出部１１が加工時における加工機周辺温度、運動機構部に加わる応力等の加工状態を検出して加工環境データ１０３をデータ集積部２１に伝送する。データ集積部２１に送られた加工機周辺温度、運動機構部に加わる応力等の加工環境データ１０３と、加工装置１に送信した加工条件データ１０１と、は統合され、加工条件データ１０４として性能評価部２３に送信される。
【００２４】
上記の加工がなされたV溝基板は図２に示すような光学評価装置３に回され、ここで波長に対する回折強度データが得られる。光学評価装置３で得られた光学特性データ１０５はデータ解析部２２に送信される。一例として、図３に光学評価の実測値（実線）を示す。
【００２５】
実測された溝基板のデータのうち、副ピークの現れる波長と光の強度とを解析し、データ解析部２２にて溝基板の状態を数値計算により導出する。
データ解析部２２では前記、波長と受光部での光強度と、に関わるデータをもとに、実際に加工がなされたV字状の溝（以下、Ｖ溝という）の状態についてシミュレーションを行い、計算より得られた加工の状態の結果を性能評価部２３に送信する。
【００２６】
性能評価部２３ではデータ集積部２１から送られた、加工条件データ１０４と、データ解析部２２より送られた溝の加工状態のデータ１０６とを評価し、加工条件によるV溝の加工性能について評価が行われる。
加工装置１における加工環境検出部１２は、加工装置の運動機構部１１周辺の温度と湿度、運動機構部１１の構成部材の温度と振動、熱や荷重にともなう構成部の変形を検出する機能を備える。
【００２７】
次に、本実施形態における光学評価の方法について説明する。
図２に示すようにＮＣデータをもとにＶ溝加工がなされた基板について波長に対する回折光の強度変化を測定する。ただし基板表面は入射光を反射するものとする。
【００２８】
光学評価用の光源には、波長可変レーザ光源３１を用い、光は可変光源部より光ファイバ３２を導波したのち、光ファイバ端部３３から出射し、出射した光はコリメートレンズ３４によりコリメートされ、V溝基板３５に入射される。基板によって反射、回折された光は、再びコリメートレンズ３４により集光され、光ファイバ３２に導波した後、光サーキュレータ３６によって受光部３７に入射され回折光の強度が測定される。
【００２９】
ここで基板３５に対する入射の方向と回折光の評価のための方向が正反対の方向となるようないわゆるリトロー配置に光学系を組むことによって評価を行う。
基板３５の表面に対する入射光の角度は、所定の波長、回折次数において、受光部３７において光量が最も大きくなるように、角度を調整した後、光源３１の波長を変化させて、受光部３６での光量の測定がなされる。なお、光源３１から発された光が光ファイバ端面３３より出射する部分と、基板の回折光を受光する、光ファイバ端をそれぞれ別に設けること、およびコリメートレンズを別に設置することにより、リトロー配置以外の評価あるいは透過型の基板の評価が可能である。
【００３０】
次に、以上のような工程において本実施形態におけるデータ集積部２１の動作について説明する。
データ集積部２１は、溝間隔、切削における加工速度、周速、工具種類、被加工材の条件、加工雰囲気、等の加工条件のうちで、加工機運動機構部１２の動作条件に対応する条件について抽出し、NCデータへの変換を行い、前記変換されたデータを加工装置１に送信する。また加工環境検出部１１にて測定された加工温度等のデータを受信し、入力された加工条件と合わせて性能評価部２３にデータを送信するものである。
【００３１】
次に、本実施形態におけるデータ解析部２２の動作について説明する。
データ解析部２２は被加工材の光学測定から得られたデータについて数値計算を行うことによりV溝の状態のシミュレーションを行い、得られた計算結果を性能評価部２３に送信するものである。
【００３２】
測定結果および計算結果の一例としてまた図３に光学評価の実測値（実線）を示す。理想的な等間隔の溝においては、一つの回折次数に対して一つのピークが現れ、その他の副ピーク等は現れない。実測された副ピークは、指令値に対する加工誤差が検出されていることを表している。そこで、溝基板のデータのうち、副ピークの現れる波長と光の強度とを解析し、データ解析部２２にて溝基板の状態を数値計算により導出する。数値計算では周期誤差の振幅、誤差の周期構造についてシミュレーションを行い、実測された波形に最も近い波形を再現するような構構造を導出する。
【００３３】
図３にデータ解析部２２にて実測データをシミュレーションにより再現させた場合の波形（破線）を示す。このときの溝間隔の誤差周期は１００μm、振幅は１６０ｎｍと算出された。このように、本実施形態においては加工機械の加工特性をサブミクロンのオーダで容易に掌握することができる。
【００３４】
副ピークの強度は加工誤差の振幅を表しており、加工誤差の小さい基板においては副ピーク強度も同様に小さくなる。しかし、数十ｎｍの極めて小さい振幅の周期誤差についても、光学評価におけるダイナミックレンジを４０ｄＢ程度確保することにより検出できるので、より小さい誤差の判定が可能である。
【００３５】
また複数の周期の誤差をもった溝基板においては不規則な配列をもつ副ピークが複数生じる。このような場合においても、それぞれの副ピークが溝の周期誤差を表しており、個別の副ピーク毎に周期と振幅に関する情報を解析し、重ね合わせることによって、より複雑な加工誤差をもった基板についても解析が可能である。
【００３６】
一方で、非周期的な溝加工の誤差を生じた基板については、光学特性上、強度分布に明確な副ピークは現れず、ベースラインを押し上げるような作用を示す。そのため、ベースラインの状態から突発的な加工誤差、または定常的かつランダムに生じる加工誤差のような非周期の誤差を見積もることが可能である。
【００３７】
次に、本実施形態における性能評価部２３の動作について説明する。
性能評価部２３ではデータ集積部２１から送られる加工条件と、データ解析部２２より送られる溝の加工状態との関係を集計し、加工条件がV溝加工に与える影響について評価が行われるものである。温度変動等の周期や、駆動部の応力等の状態と、加工された溝の誤差の状態を比較することにより、加工装置の性能を評価することができる。
【００３８】
さて、本実施形態では、上記のような評価方法を行うことにより、次のような効果を得ることができる。すなわち、このような加工評価方法を効率的に収集、蓄積することシステムを整えることによって、従来においては想定外、または容易に算出できない条件データにも幅広く対応した解析を実施することができ、これにより解析精度が向上する。したがって、加工条件に関わる開発期間の短縮、開発費の削減、開発効率の向上といって点で十分な効率をあげることが可能となる。
【００３９】
なお、本発明の評価手法において、評価系のレンズ３４を交換することにより容易に評価領域を調整することが可能であり、また評価の位置も自由に選択することができるため、基板内の局所的な加工状態から、基板全域にわたる加工状態の推移まで評価が可能である。
【００４０】
さらに性能評価部２３には加工装置１における環境変化の状態が記録されるため、温度等の環境変化と加工の状態の関係を直接に比較検討することが可能である。
また、光学評価はリトロー配置の評価系以外の評価を行う場合、数値計算を同様の仕様にあわせることにより加工装置の評価が可能である。
【００４１】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
第１実施形態との相違点は、加工装置１に各溝間隔が一定でなく複数の値となるように指令を与える点である。ただし、所定の溝本数を周期とする周期性をもった溝間隔を指定する。このように指令することによって等間隔の指令を与えたときに比べて、より加工装置の応答性を効果的に評価することが可能である。
【００４２】
溝間隔が周期性を持つように指令を与えることにより、実測された波形は、指令された溝周期と加工誤差による影響とが重ねあわされた状態となって観測される。そのため、指令値から求められる光学評価結果と加工された溝基板の実測値の結果とを比較することにより、加工装置誤差を評価することができる。
【００４３】
第1の実施例と同様にデータ解析部２２は被加工材の光学測定から得られたデータについて数値計算を行い、V溝の状態のシミュレーションを行う。シミュレーションはまず加工機に指令した溝間隔の目標値について光学的な強度分布を算出し、これが実測された強度分布に最も近い分布になるように、溝間隔の値に修正を加え、実測された強度分布に最も近い形を再現するような構造を導出する。
【００４４】
溝の周期の一例として、４０本ごとに周期的に溝が変化する金型を加工した場合の評価例を示す。図４は例として用いた溝の溝間隔の変化を示している。最初の１本から１０本の溝および２１本から３０本の溝は正規の間隔（等間隔）で工具を送る。また１１本から２０本目の溝は溝間隔を２０ｎｍずつ広げて工具を送り、３１本から４０本目までの溝は逆に２０ｎｍずつ間隔を狭めて工具を送るように指令する。この変化が溝４０本毎に周期的に変化するように設定した。このとき、等間隔な場合の溝位置に比べて最大で２００ｎｍ変位した位置に溝が刻まれることになる。
【００４５】
このような工具送り条件で加工がなされた溝基板について、測定した光学特性を図５に示す。波長１５５１．８ｎｍと波長１５５６．６ｎｍ付近に主ピークの強度に対して−８．８ｄＢ程度とかなりの強度を持つ副ピークを観測することができる。
【００４６】
このような強度の高い副ピークで加工装置の性能を評価することが可能となるため、光学評価におけるダイナミックレンジが２０ｄＢ程度の評価系についても加工性能の評価が可能となる。なお図中にプロットしたデータはＮＣデータからシミュレーションにより算出された波形を示している。
【００４７】
図６は、等間隔の溝に比べて最大の変位量が１９０ｎｍ、２００ｎｍ、２１０ｎｍ変位するように溝を刻んだ条件で、波長１５５１．８ｎｍに現れる副ピークの変化をシミュレーションにより求めた結果と実際に加工された基板の副ピークの強度とを比較して示している。
【００４８】
変位２００ｎｍの条件で計算された副ピークの強度と、実際に加工された基板の副ピークの強度とを比較することにより、加工装置の精度を見積もることができる。図より実験で得られた−８．８ｄＢの強度は、最大変位量２０５ｎｍの変位を与えたときの強度に相当するため、この基板の加工装置の応答性誤差が５ｎｍであることが示される。
【００４９】
このように０．１ｄＢ程度の精度で光学評価を行うことによりｎｍのオーダで加工装置の加工性能を評価することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
上記の実施形態では溝の機械加工を行う加工装置について説明したが、本発明はその他の加工手段にも適用できる。周期的な間隔を有する微細な溝を形成する方法として、フォトリソグラフィー技術がよく知られているが、本発明はこの技術におけるマスク原版の転写工程についても適用できる。等間隔もしくは不等間隔のスリット状マスクを作製し、そのマスクを介してエッチング等を行うことにより、マスクパターンを転写した溝状加工物を形成する。加工目標値としてのマスクパターンと溝状加工物の光学特性を比較することにより、マスクの転写精度などの評価をすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施形態に関わる、加工装置の性能評価方法について評価手順を示したブロック図である。
【図２】本発明の性能評価に用いる光学装置の概略図である。
【図３】第１の実施形態に関わる、加工された基板の光学特性と、解析部から得られた計算結果による光学特性と、の一例を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に関わる溝間隔の変化の一例を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に関わる、不等間隔な溝基板の光学特性の一例を示したグラフである。
【図６】本発明の第２の実施形態に関わる、加工された基板の溝間隔の変動に対して光学評価における副ピークの変化の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  加工装置
２  データ処理部
３  光学評価装置
１１  加工環境検出部
１２加工機運動機構部
２１  集積部
２２  データ解析部
２３  性能評価部
３１  波長可変レーザ光源
３２  光ファイバ
３３  光ファイバ端部
３４  コリメートレンズ
３５  V溝基板
３６  サーキュレータ
３７  受光部
【図１】
2005140743.tif 000003
【図２】
2005140743.tif 000004
【図３】
2005140743.tif 000005
【図４】
2005140743.tif 000006
【図５】
2005140743.tif 000007
【図６】
2005140743.tif 000008