(57)【要約】【課題】単一の装置によりサファイアインゴット等被測定物内部の欠陥と歪みを測定できる光学測定装置を提供すること。【解決手段】単一のＣＣＤカメラ10とレーザ光源１、単色光源５を有し、レーザ光源からのレーザ光線を照射して被測定物８内に存在する散乱体を観察する散乱体観察部と単色光源からの単色光を照射して被測定物に存在する歪みを観察する歪み観察部とを具備する。そして、レーザ光源と被測定物間の光路上に２分の１波長板２と第１のガルバノミラー３および第２のガルバノミラー４が配置され、また、単色光源とＣＣＤカメラ間の光路上には単色光源側から偏光子６、回転ステージ７に載置された被測定物、変位可能な検光子９が順に配置されており、被測定物の移動を伴うことなく被測定物内部の欠陥に起因する散乱体の観察と歪みの観察を短時間で行うことが可能となる。【選択図】  図１
2009250911.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物へ光を照射し被測定物から出射される光をＣＣＤカメラで撮影して被測定物の内部を観察する光学測定装置において、
単一のＣＣＤカメラとレーザ光源および単色光源を有し、上記レーザ光源からのレーザ光線を被測定物へ照射して被測定物内に存在する散乱体を観察する散乱体観察部と、上記単色光源からの単色光を被測定物へ照射して被測定物に存在する歪みを観察する歪み観察部とを具備する共に、上記レーザ光源と被測定物との間の光路上には直線偏光の方位を回転させる２分の１波長板と第１のガルバノミラーおよび第２のガルバノミラーが配置され、散乱体観察の際に２分の１波長板を透過したレーザ光線が上記第１のガルバノミラーと第２のガルバノミラーにより反射されて２次元走査されるようになっており、上記単色光源とＣＣＤカメラとの間の光路上には単色光源側から偏光子、回転ステージに載置された被測定物、変位可能な検光子が順に配置され、上記散乱体観察の際には検光子が光路から外れる位置に待機する一方、歪み観察の際には変位して上記検光子が光路上に配置され、歪み観察の際に上記被測定物を回転ステージで回転させてコノスコープ像におけるアイソジャイアに隠れた位置にある歪が視覚化されるようになっていることを特徴とする光学測定装置。
【請求項２】
上記被測定物から出射されるレーザ光線および単色光が、被測定物の真上９０度に配置されたＣＣＤカメラによりそれぞれ撮影されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置。
【請求項３】
被測定物に照射されるレーザ光線の偏光を、上記２分の１波長板により水平偏波または垂直偏波に可変できるようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学測定装置。
【請求項４】
上記被測定物を屈折率整合液中に浸漬させた状態でレーザ光線および単色光がそれぞれ照射されるようになっていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光学測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア結晶等被測定物内部の欠陥および歪みを光学的に測定する光学測定装置に係り、特に、単一の装置により被測定物内部の欠陥および歪みを測定できる光学測定装置の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定物の内部にレーザ光等の光を照射し、その散乱光を得ることにより被測定物内部の欠陥に関する情報を得る散乱体観察方法および装置が知られている。
【０００３】
こうした欠陥を観察する装置が例えば特許文献１に開示されている。この装置においては、被測定物の側面からレーザ光等の光を照射する。入射光は被測定物内部の欠陥により散乱される。この散乱光を入射光の光軸と直交する位置に配置されたビデオカメラで観察する。また、ビデオカメラの焦点を被測定物の上部または下部端面に合わせ、被測定物が支持されたステージを垂直方向に移動させることにより、被測定物内部を所定距離間隔で走査する。そして、得られる各画像をビデオフレームメモリーに記憶させ、被測定物内部における欠陥の３次元的な分布を知ることが可能となる。また、特許文献２には、光源としてレーザ光を用い、二次元のガルバノミラーで走査して被測定物の全体像をＣＣＤカメラにより短時間で取り込む測定装置が開示されている。
【０００４】
他方、被測定物内部の歪を知る方法として、例えば、特許文献３に開示された方法が知られている。この方法は、被測定物に誘起する複屈折の２次元分布を測定して被測定物内部の歪を検出するものである。但し、光源には単色光のレーザ光を用いるため、１回の測定で知ることのできる範囲はレーザ光が透過した部分だけとなる。この複屈折測定によるリターデーション測定装置として、例えば、ユニオプト社からＡＢＲシリーズの装置が発売されている（非特許文献１参照）。
【０００５】
尚、被測定物内部の全体に光を同時に照射して被測定物内部における歪の分布を短時間で観察できるようにした内部歪観察装置について、本発明者は既に提案している（特願２００７−２７７２２８明細書参照）。
【特許文献１】特開昭６２−５６４００号公報
【特許文献２】特開２００７−１９２７１６号公報
【特許文献３】特開平６−１４７９８６号公報
【非特許文献１】ユニオプト社カタログ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来技術においては、単一の装置により被測定物内部の欠陥および歪みを測定できる装置が未だ開発されていないため、被測定物内部の欠陥および歪みを測定するにはそれぞれ専用の測定装置を用いて行う必要があった。
【０００７】
このため、各測定装置に被測定物を移し替える必要があり、内部状態の測定にハンドリングの手間と時間がかかる問題が存在した。
【０００８】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、単一の装置により被測定物内部の欠陥および歪みを測定可能な光学測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、請求項１に係る発明は、
被測定物へ光を照射し被測定物から出射される光をＣＣＤカメラで撮影して被測定物の内部を観察する光学測定装置において、
単一のＣＣＤカメラとレーザ光源および単色光源を有し、上記レーザ光源からのレーザ光線を被測定物へ照射して被測定物内に存在する散乱体を観察する散乱体観察部と、上記単色光源からの単色光を被測定物へ照射して被測定物に存在する歪みを観察する歪み観察部とを具備する共に、上記レーザ光源と被測定物との間の光路上には直線偏光の方位を回転させる２分の１波長板と第１のガルバノミラーおよび第２のガルバノミラーが配置され、散乱体観察の際に２分の１波長板を透過したレーザ光線が上記第１のガルバノミラーと第２のガルバノミラーにより反射されて２次元走査されるようになっており、上記単色光源とＣＣＤカメラとの間の光路上には単色光源側から偏光子、回転ステージに載置された被測定物、変位可能な検光子が順に配置され、上記散乱体観察の際には検光子が光路から外れる位置に待機する一方、歪み観察の際には変位して上記検光子が光路上に配置され、歪み観察の際に上記被測定物を回転ステージで回転させてコノスコープ像におけるアイソジャイアに隠れた位置にある歪が視覚化されるようになっていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項２に係る発明は、
請求項１に記載の発明に係る光学測定装置において、
上記被測定物から出射されるレーザ光線および単色光が、被測定物の真上９０度に配置されたＣＣＤカメラによりそれぞれ撮影されるようになっていることを特徴とし、
請求項３に係る発明は、
請求項１または２に記載の発明に係る光学測定装置において、
被測定物に照射されるレーザ光線の偏光を、上記２分の１波長板により水平偏波または垂直偏波に可変できるようになっていることを特徴とし、
請求項４に係る発明は、
請求項１、２または３に記載の発明に係る光学測定装置において、
上記被測定物を屈折率整合液中に浸漬させた状態でレーザ光線および単色光がそれぞれ照射されるようになっていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る光学測定装置によれば、単一のＣＣＤカメラとレーザ光源および単色光源を有し、上記レーザ光源からのレーザ光線を被測定物へ照射して被測定物内に存在する散乱体を観察する散乱体観察部と、上記単色光源からの単色光を被測定物へ照射して被測定物に存在する歪みを観察する歪み観察部とを具備しているため、被測定物の移動を伴うことなく散乱体の観察と歪みの観察を短時間で行うことが可能となる。
【００１２】
また、本発明に係る光学測定装置によれば、散乱体観察の際に上記検光子が光路から外れる位置に待機し、２分の１波長板を透過したレーザ光線が第１のガルバノミラーと第２のガルバノミラーにより反射されて２次元走査されるようになっており、これにより被測定物全体が照射されるため、被測定物全体の散乱体分布を測定することが可能となる。
【００１３】
更に、本発明に係る光学測定装置によれば、歪み観察の際には検光子が変位して光路上に配置され、歪み観察の際に上記回転ステージを回転して被測定物を回転させることにより、コノスコープ像におけるアイソジャイアに隠れた位置にある歪が視覚化されるため、アイソジャイアに重なった部分の歪の分布を知ることができ、被測定物内部における全体の歪の分布についても短時間で観察することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
本発明に係る光学測定装置は、図１に示すように散乱体観察部用のレーザ光源１と、歪み観察部用の単色光源５、および、被測定物８から生ずる散乱光と複屈折による光を撮影するＣＣＤカメラ１０を備えており、かつ、上記被測定物８は自動回転ステージ７に載置されている。
【００１６】
また、図１に示すように上記レーザ光源１は被測定物８の側面側に配置され、かつ、レーザ光源１と被測定物８との間の光路上には、レーザ光源１側から直線偏光の方位を回転させる２分の１波長板２と第１のガルバノミラー３および第２のガルバノミラー４が順に配置されており、散乱体観察の際、これ等レーザ光源１、２分の１波長板２、第１のガルバノミラー３、第２のガルバノミラー４および上記ＣＣＤカメラ１０とで被測定物８の散乱体観察部が構成されている。
【００１７】
また、図１に示すように上記単色光源５は被測定物８の下方側に配置され、かつ、単色光源５とＣＣＤカメラ１０との間の光路上には、単色光源５側から偏光子６、自動回転ステージ７に載置された被測定物８、変位可能な検光子９が順に配置されており、歪み観察の際、これ等単色光源５、偏光子６、自動回転ステージ７、光路上に変位した検光子９および上記ＣＣＤカメラ１０とで被測定物８の歪み観察部が構成されている。尚、歪み観察の際、上記被測定物８は自動回転ステージ７により回転されるように構成されている。
【００１８】
本発明に係る光学測定装置の上記散乱体観察部において、レーザ光源１より出射されたレーザ光線は上記２分の１波長板２によりｐ偏光またはｓ偏光に変換される。また、２分の１波長板２を透過しかつ第１のガルバノミラー３に入射したレーザ光線は水平方向に走査され、第２のガルバノミラー４に入射したレーザ光線は水平方向に加えて垂直方向に走査され、これにより被測定物８全体がレーザ光線によりランダムに走査される。
【００１９】
尚、第１のガルバノミラー３および第２のガルバノミラー４は、制御系により走査の振動数およびレーザ光線の振れ角を独立に設定することが可能である。また、散乱体観察の際には上記自動回転ステージ７の回転と単色光源５の出力は停止されている。
【００２０】
そして、被測定物８全体を照射したレーザ光は、被測定物８内部の散乱体により散乱光として被測定物８から出射され、上記散乱光をＣＣＤカメラ１０により散乱像として撮影することにより被測定物８の散乱体分布を知ることが可能となる。
【００２１】
ここで、上記レーザ光源１より発せられるレーザ光線は直線偏光であることが望ましいが、直線偏光でない場合には偏光子により直線偏光に変換すれば差し支えない。そして、２分の１波長板２を回転させることによりｐ偏光とｓ偏光を選択することが可能となる。
【００２２】
ところで、入射波、散乱波の偏光状態を考える場合、観察者の位置により記述の仕方が異なるので、以後、観察者の位置にかかわらず、レーザ光線の電場ベクトルが地面に対して水平である場合の偏光状態を水平偏波、レーザ光線の電場ベクトルが地面に対して垂直である場合の偏光状態を垂直偏波と呼ぶことにする。
【００２３】
そして、単結晶サファイア等の被測定物に水平偏波を入射させた場合の散乱光を真上から観察した場合、被測定物中に存在するマイクロバブルを検出することが可能となる。また、被測定物に垂直偏波を入射させた場合の散乱光を真上から観察した場合、被測定物中に存在する大型のバブル、刃状転位による歪の大きい部分を検出することが可能となる。
【００２４】
次に、本発明に係る光学測定装置の上記歪み観察部において、単色光源５から出射された単色光は、偏光子６により直線偏光に変換され、自動回転ステージ７に載置された被測定物８を透過し、かつ、被測定物８を透過した光は光路上に変位した検光子９を透過してＣＣＤカメラ１０のレンズ系により受光面に結像する。
【００２５】
そして、本発明に係る光学測定装置の歪み観察部においては、自動回転ステージ７により被測定物８が回転されるように構成されているため、コノスコープ像におけるアイソジャイアに隠れた位置にある歪が視覚化されてアイソジャイアに重なった部分の歪の分布を知ることができる。従って、被測定物８内部における全体の歪の分布について短時間で観察することが可能となる。尚、歪み観察の際にはレーザ光源１の出力は停止されている。
【００２６】
ここで、上記コノスコープ像を観察する方法は、顕微鏡観察において異方性のある鉱物の複屈折を測定する方法として知られており、観察方法自体は公知である。以下、コノスコープ像の観察原理を図３に示す。図３中、被測定物は一軸性の結晶であり、ｃ軸が図３中で水平方向に平行であるとする。被測定物の内部には歪に起因した屈折率の変動が存在する。そして、図３において偏光子を透過した単色光源からの光は、被測定物の内部で常光と異常光に分離して伝播する。
【００２７】
そして、ｃ軸の屈折率を（ｎｅ）、ｃ軸に垂直な面内の屈折率を（ｎｏ）、被測定物の実効的な厚みをｄとすると、コノスコープ像に現れる干渉縞は、
ｄ・（ｎｏ−ｎｅ）＝ｋ・λ  （ｋ＝０、１、２、３、・・・）
の式を満足する場合に生じることが分かる。尚、λは光の波長であり、被測定物の実効的な厚みｄは被測定物に入射する光の入射角の関数である。
【００２８】
このように本発明に係る光学測定装置によれば、単一のＣＣＤカメラ１０とレーザ光源１および単色光源５を有し、レーザ光源１からのレーザ光線を被測定物８へ照射して被測定物８内に存在する散乱体を観察する散乱体観察部と、単色光源５からの単色光を被測定物８へ照射して被測定物８に存在する歪みを観察する歪み観察部とを具備しているため、被測定物８の移動を伴うことなく散乱体の観察と歪みの観察とを短時間で行うことが可能となる。
【００２９】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【実施例】
【００３０】
まず、図１において示された本発明に係る光学測定装置の散乱体観察部において、レーザ光源１から出射したレーザ光線は、２分の１波長板２を透過して水平偏波または垂直偏波に変換され、第１のガルバノミラー３により水平方向に２００Ｈｚ周波数で走査され、かつ、第２のガルバノミラー４により垂直方向に２００Ｈｚの周波数で走査される。尚、第２のガルバノミラー４と被測定物５の距離は１ｍである。
【００３１】
ここで、被測定物８として直径が３インチ、長さが７０ｍｍのサファイアのインゴットを考える。サファイア単結晶は青色ＬＥＤの素材であるＧａＮをエピ成長させるときの基板として用いられている。サファイア基板はインゴットから切り出してウェハーに加工されるが、結晶中に散乱体や欠陥があれば、ウェハーの表面において、突起またはピットとなって残り、ＧａＮのエピ成長の場合において、サファイア基板の欠陥がＧａＮの欠陥としてそのまま転写されてしまうことが知られている。それゆえに、良質なＧａＮをエピ成長させるためには、表面に欠陥の無いサファイアウェハーを基板に使用することが不可欠となっている。被測定物８のサファイアインゴットの円筒面と上下の端面はラップ処理されているので、レーザ光線を照射しても内部の散乱を観察することはできない。円筒面と上下端面に光学研磨を施せば、インゴット内部の散乱が観察可能になるが、サファイアの硬度はダイアモンドに次いで高いので、光学研磨には多大の時間と費用を要する。この問題を解決するために、サファイアインゴットを屈折率整合のためにヨウ化メチレンに浸漬して使用することとする。サファイアの可視域における屈折率は約１．７６、ヨウ化メチレンの屈折率は１．７４であるので、サファイアの表面における散乱および反射の寄与を除去することが可能となる。
【００３２】
散乱体観察に用いるレーザ光源は、微小な欠陥を検出するために出力が高い方が望ましい。また、散乱像を撮影するためのＣＣＤカメラ１０の受光感度が高い可視域の波長が望ましいので、出力が３００ｍＷ、波長が６３０ｎｍの赤色半導体レーザを使用した。また、インゴット全体をレーザ光線が走査する必要があるため、露光時間は走査の１周期１／２００秒以上が必要である。微小な散乱を検出するためには、露光時間を更に長く設定する必要がある。
【００３３】
サファイアインゴット（被測定物８）全体をレーザ光線が走査するように、第１のガルバノミラー３の水平方向の振幅が８０ｍｍ、第２のガルバノミラー３の垂直方向の振幅が７０ｍｍとなるようにガルバノミラーの制御系を調整した。
【００３４】
この光学測定装置を用いて測定したサファイアインゴットの光散乱の測定像（水平偏光入射と垂直偏光入射による測定像）とサファイアインゴットの側面写真を図２にそれぞれ示す。そして、サファイアインゴットの置き方を変えることにより大型の散乱体の位置を同定することが可能となり、ウェハーに加工する場合、欠陥の少ない部分を選択することができるため、コスト削減および加工時間の短縮に寄与するところが大である。
【００３５】
次に、本発明に係る光学測定装置の歪み観察部においてサファイアインゴットの歪の分布を観察する。図１に示す光学測定装置において、単色光源５には、エドモンド・オプティクス・ジャパン社製のグリーン単色ランプ（波長５８７．６ｎｍ）、偏光子６と検光子９には、エドモンド・オプティクス・ジャパン社製の偏光フィルム、自動回転ステージ７には、ニューポート・ジャパン社製のＵＲＳ１５０、上記ＣＣＤカメラ１０には、ニコン社製のＤ７０が用いられている。
【００３６】
そして、図４と図５にサファイアインゴットを約１５°毎に回転させて撮影したコノスコープ像を示し、かつ、図６に品質の良いサファイアインゴットのコノスコープ像を示す。尚、図６の写真図において、白の直線で表した十字がアイソジャイアと呼ばれるものである。図４と図５の写真図から、サファイアインゴットを回転させにつれて歪の部分も回転していくことが分かる。また、干渉縞がゆがんでいる場所は、屈折率が不均一になっている場所、すなわち、内部に歪が存在することを表している。被測定物８のサファイアインゴットが回転することにより、暗い線の十字の形で現れるアイソジャイアの変形の度合いが内部の歪の分布に対応している。
【００３７】
このように被測定物８のサファイアインゴットを自動回転ステージ７で回転させることにより、サファイアインゴット全体の歪の分布を観察することができる。
【００３８】
そして、本発明に係る光学測定装置を用いることにより、品質の良いサファイアインゴットを短時間でかつ非破壊により選別することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係る光学測定装置によれば、被測定物内に存在する散乱体を観察する散乱体観察部と、被測定物に存在する歪みを観察する歪み観察部とを具備しているため、被測定物の移動を伴うことなく散乱体の観察と歪みの観察を短時間で行うことが可能となる。従って、サファイア結晶等の品質を評価する方法に用いられる産業上の利用可能性を有している。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る光学測定装置の構成説明図。
【図２】本発明に係る光学測定装置を用い水平偏光入射と垂直偏光入射によりそれぞれ測定されたサファイアインゴットの光散乱の測定写真図と上記サファイアインゴットの側面写真図。
【図３】従来のコノスコープ像の観察原理を示す説明図。
【図４】被測定物であるサファイアインゴットを回転させて撮影したコノスコープ像の写真図。
【図５】被測定物であるサファイアインゴットを回転させて撮影したコノスコープ像の写真図。
【図６】品質の良いサファイアインゴットを撮影したコノスコープ像の写真図。
【符号の説明】
【００４１】
１  レーザ光源
２  ２分の１波長板
３  第１のガルバノミラー
４  第２のガルバノミラー
５  単色光源
６  偏光子
７  自動回転ステージ
８  被測定物
９  検光子
１０  ＣＣＤカメラ
【図１】
2009250911.tif 000003
【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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