表面角度計測方法及び表面角度計測装置
【課題】物体表面の角度の検出感度を向上させることができると共に、計測装置から物体表面までの計測距離に依存することなく精密に物体表面の角度を計測することができる表面角度計測方法及び表面角度計測装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
計測対象２の表面に計測光を照射すると共に、当該計測対象２で反射した計測反射光を受光することで計測対象２の表面の傾斜角度を計測する表面角度計測装置１において、計測反射光を金属薄膜１１で受光すると共に、金属薄膜１１で表面プラズモン共鳴を生じさせるプラズモンフィルタ部９を備える。さらに、その表面プラズモン共鳴が生じた金属薄膜１１からの反射光の強度を計測する強度検出部１５と、強度検出部１５で計測された反射光の強度を基に、計測対象２の表面の傾斜角度を算出する傾斜角度算出手段を有する演算部４と、を備える。
【解決手段】
計測対象２の表面に計測光を照射すると共に、当該計測対象２で反射した計測反射光を受光することで計測対象２の表面の傾斜角度を計測する表面角度計測装置１において、計測反射光を金属薄膜１１で受光すると共に、金属薄膜１１で表面プラズモン共鳴を生じさせるプラズモンフィルタ部９を備える。さらに、その表面プラズモン共鳴が生じた金属薄膜１１からの反射光の強度を計測する強度検出部１５と、強度検出部１５で計測された反射光の強度を基に、計測対象２の表面の傾斜角度を算出する傾斜角度算出手段を有する演算部４と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体表面の角度を計測する表面角度計測方法及び表面角度計測装置に関するものであって、特に、鏡面を有する物体表面の角度及び角度変化を、表面プラズモン共鳴を利用して計測する表面角度計測方法及び表面角度計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体表面の向き、すなわち物体表面の角度（傾き）を調べる手法として、レーザー等の光源を用いて物体表面の角度変位を拡大し検出する光てこ法に基づく手法、受光した平行光の結像位置のずれから物体表面の角度変位を検出するオートコリメータを用いる手法、及びレンズアレイで物体表面の像を結んで結像位置のずれから物体表面の角度変位を検出するシャックハルトマン型の波面センサを用いる手法などが、一般的に良く知られている。
【０００３】
これらの手法では、近年、物体表面の画像を撮像する撮像素子の画素サイズが小さくなったことと画素密度が向上したこととにより、受光した光線の重心位置を１ピクセル以下で算出して取得し光線の角度を計測できる（サブピクセル法）。
特許文献１は、このような手法で用いられる装置のうち、平行光をレンズアレイで撮像素子上に集光して波面を計測するシャックハルトマン型の波面センサである光波面測定装置について開示している。
【０００４】
特許文献１に開示の光波面測定装置は、空間を伝播してくる測定光を集光するレンズアレイと、レンズアレイにより集光された測定光を電気信号に変換する光検出器アレイと、光検出器アレイの面上における光強度の２次元分布に相当する電気信号を光検出器アレイから取り出す読み出し回路と、読み出し回路により取り出された電気信号に基づいて、光検出器アレイの面上の集光スポット位置を検出する光強度分布検出部と、光強度分布検出部により検出された集光スポット位置に基づいて、測定光の波面入射角を計算する測定光波面入射角計算部と、測定光波面入射角計算部により計算された波面入射角に基づいて測定光の波面形状を計算する波面形状計算部とを備えている。
【０００５】
この光波面測定装置において、読み出し回路により取り出された電気信号を時刻と対応付けて順次記憶して、記憶されたそれぞれの時刻における電気信号の信号対雑音比を計算する。読み出し回路によって取り出された現在時刻における電気信号の信号対雑音比が所定閾値よりも低い場合には、所定閾値以上の信号対雑音比を有する過去の時刻の電気信号を先見情報として利用して現在時刻における光検出器アレイの面上の集光スポット位置を予測して検出する。
【０００６】
その上で、現在時刻における電気信号の信号対雑音比が所定閾値よりも低い場合には、光強度分布検出部により予測された集光スポット位置に基づいて、測定光の波面入射角を計算している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１６２６１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した物体表面の角度を調べる手法では、物体表面の画像から重心位置を取得する際にサブピクセル法を用いている。しかしながら、いかにサブピクセル法を用いても、その測定のスケールは、画素サイズの１／１０程度までが限度である。
よって、光てこ法に基づく手法、オートコリメータを用いる手法、及びシャックハルトマン型の波面センサを用いる手法のいずれに対しても、画素サイズを小さくすることで物体表面の画像分解能を上げることは可能であるが、画素サイズに下限がある以上、測定スケールも画素サイズに制約され、下限がある。
【０００９】
実際に、いわゆる高精細のカメラでは、画素サイズは１μｍ程度であるため、オートコリメータを用いる手法において、反射光を直接ＣＣＤ（電荷結合素子）に投影した場合、オートコリメータの検出感度（測定スケール）は約５秒（１．３９×１０-3ｄｅｇ）程度である。通常はレンズを通して反射光をＣＣＤに投影するため、現在用いられているオートコリメータの感度は０．５秒程度が限界であり、これ以上の検出感度の向上は困難である。
【００１０】
これとは別に、光てこ法に基づく手法では、計測装置から計測対象までの計測距離を大きくすることにより、撮像位置の微小な変化に対応した角度変化を捉えることが出来る。しかし、計測対象までの距離を大きくすると、レンズの作動距離（ＷＤ）に制限があることと、ダイナミックレンジの小さな角度変化しか測定できなくなるということが問題となり、光てこ法は、計測装置から計測対象までの計測距離に依存した手法であるといえる。
【００１１】
すなわち、従来の技術では、計測対象表面の傾斜角度が、光線光学に基づいた撮像素子上の光点の位置でしか捕らえられないことから、物体表面の角度変位を１０-4ｄｅｇ以下のオーダーで検出するには多くの問題がある。したがって、測定に用いる光線の波長や輝度など、測定対象の位置とは異なる情報に角度情報を乗せることで、計測対象までの位置を示す距離のパラメータに依存せずに微小な角度まで計測対象表面の傾斜角度を計測することが必要となる。
【００１２】
本発明は、このような問題に鑑み、物体表面の角度の検出感度を向上させることができると共に、計測装置から物体表面までの計測距離に依存することなく精密に物体表面の角度を計測することができる表面角度計測方法及び表面角度計測装置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】
【００１３】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明の表面角度計測方法は、計測対象の表面に計測光を照射すると共に、当該計測対象で反射した計測反射光を受光することで計測対象の表面の傾斜角度を計測する方法であって、前記計測反射光を金属膜で受光すると共に、当該金属膜で表面プラズモン共鳴を生じさせるプラズモン共鳴工程と、表面プラズモン共鳴が生じた金属膜からの反射光の強度を計測する強度計測工程と、前記強度計測工程で計測された反射光の強度を基に、前記計測対象の表面の傾斜角度を算出する傾斜角度算出工程と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
この方法によって、計測対象の表面で反射した計測反射光を、表面プラズモン光学系に導入することにより、金属薄膜に入射する角度に依存した強度の計測反射光を得ることが出来る。
ここで前記傾斜角度算出工程は、前記入射光の角度と前記金属膜からの反射光の強度とを関係づける表面プラズモン共鳴の特性曲線に基づいて、前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする。
【００１５】
また前記強度検出工程は、前記金属膜で反射した反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離すると共に、Ｐ偏光の強度とＳ偏光の強度を検出し、前記傾斜角度算出工程は、検出されたＰ偏光の強度に応じた前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする。
さらに前記強度検出工程は、前記金属膜で反射した反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離すると共に、Ｐ偏光の強度とＳ偏光の強度を検出し、前記傾斜角度算出工程は、検出されたＰ偏光の強度とＳ偏光の強度の比を反射率として算出し、算出された反射率に応じた前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする。
【００１６】
本発明の表面角度計測装置は、計測対象の表面に計測光を照射すると共に、当該計測対象で反射した計測反射光を受光することで計測対象の表面の傾斜角度を計測する装置であって、前記計測反射光を金属膜で受光すると共に、当該金属膜で表面プラズモン共鳴を生じさせるプラズモン共鳴手段と、表面プラズモン共鳴が生じた金属膜からの反射光の強度を計測する強度計測手段と、前記強度計測工程で計測された反射光の強度を基に、前記計測対象の表面の傾斜角度を算出する傾斜角度算出手段と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
ここで前記傾斜角度算出手段は、前記入射光の角度と前記金属膜からの反射光の強度とを関係づける表面プラズモン共鳴の特性曲線に基づいて、前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする。
また前記強度検出手段は、前記金属膜で反射した反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離すると共に、Ｐ偏光の強度とＳ偏光の強度を検出し、前記傾斜角度算出手段は、検出されたＰ偏光の強度に応じた前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする。
【００１８】
また前記強度検出手段は、前記金属膜で反射した反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離すると共に、Ｐ偏光の強度とＳ偏光の強度を検出し、前記傾斜角度算出手段は、検出されたＰ偏光の強度とＳ偏光の強度の比を反射率として算出し、算出された反射率に応じた前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする。
ここで前記計測光照射手段は、照射した計測光の強度を監視する監視手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る表面角度計測方法及び表面角度計測装置によれば、物体表面の角度の検出感度を向上させることができると共に、計測装置から物体表面までの計測距離に依存することなく精密に物体表面の角度を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態による表面角度計測装置の計測原理の概念を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態による表面角度計測装置のセンサユニットの構成を示す概略図である。
【図３】本発明の実施形態による表面角度計測装置における表面プラズモン共鳴特性を表すグラフを示す図である。
【図４】本発明の実施形態による表面角度計測装置における表面プラズモン共鳴の特性曲線を近似したグラフを示す図であり、（ａ）は保護層を設けなかった場合を示し、（ｂ）は保護層を設けた場合を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態による表面角度計測装置について説明する。
まず、図１を参照して、本実施形態による表面角度計測装置１の概要について説明する。図１は、表面角度計測装置１の計測動作を模式的に示した図である。
図１に示すように、本発明の実施形態による表面角度計測装置１は、入射光に対して全反射角領域のある一定角度において特有の光の吸収（反射光の減衰）を起こす表面プラズモン共鳴の原理を応用し、計測対象２の表面（計測面）の傾きを計測するものである。
【００２２】
ところで、表面プラズモン共鳴は、金属層に光が入射した場合に入射光により生成されたエバネッセント波に共鳴して、金属表面に誘起される表面プラズモン波が励起される現象である。表面プラズモン共鳴は、入射光の波長及び入射角度に依存しており、表面プラズモン共鳴が励起されたときには、特定の入射角又は特定の波長を有する光成分の光エネルギーが表面プラズモン波へ移行することにより、対応する入射角又は波長を有する反射光の強度が減少するという特徴がある。
【００２３】
表面プラズモン共鳴を起こすためには、特定の表面プラズモン波を有する金属と、表面プラズモン波と共鳴するエバネッセント波を誘起する光学構造とが必要となる。その光学構造の一つは光学プリズム（以下、単にプリズムと称する。）の全反射を利用したものであり、一般にクレッチマン配置と呼ばれる。
表面プラズモン波を励起するためのプラズモン共鳴チップは、主にガラスや樹脂などの透明基板と、その透明基板上に形成される５０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の金属薄膜とからなり、金属薄膜にはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等が適用される。
【００２４】
金属薄膜の角度特性から考えて、微小角の検出にはＡｇ、ついでＡｕが好ましい共鳴特性を有する。Ａｇは感度が高いが、Ａｇではダイナミックレンジが不足するという場合にはＡｕを用いることが望ましい。合金化や基板密着層に用いる金属などをコントロールすることで、共鳴特性の微調整が可能である。
また、表面プラズモン共鳴は、金属薄膜表面の屈折率に依存するため、温度の変化等にも敏感に反応するので温度変化が計測誤差の要因となりうる。そこで、温度変化の影響を小さくするためには、基板表面に保護層を兼ねたＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3などの光学薄膜層を設け、さらに、プラズモン共鳴チップの保護筐体を断熱構造にすることが望ましい。
【００２５】
このような表面プラズモン共鳴を応用した表面角度計測装置１の概要について、さらに説明する。
表面角度計測装置１は、Ｓｉウェハなど、鏡面性の高い計測対象２の表面に計測光である平行光を照射して計測対象２の表面からの計測反射光を例えば金属の薄膜層で受光する。このとき金属薄膜層を、計測対象２の表面からの計測反射光が表面プラズモン共鳴の共鳴角付近で入射するように配置しておくと、計測反射光の入射によって金属薄膜層に表面プラズモン共鳴が起こり、入射した計測反射光の一部または全部が吸収される。これによって、該計測反射光の、金属薄膜層への入射強度に対する金属薄膜層からの反射強度が低下、つまり計測反射光の金属薄膜層での反射率が低下する。
【００２６】
計測対象２の表面からの計測反射光が金属薄膜層に対して共鳴角で入射すると計測反射光の反射率はほぼ０となるが、共鳴角からずれると当該反射率はそのずれ量に対応して０より大きく１以下の値となる。共鳴角からのずれ量と計測反射光の反射率は対応関係にあるので、反射率が分かればその反射率を基にして共鳴角からのずれ量を取得することができる。
【００２７】
そこで、計測対象２の表面からの計測反射光が金属薄膜層に対して共鳴角で入射するときの計測対象２の表面の傾き角度を基準面角度（０度）であるとすると、図１に示すように、表面角度計測装置１は、金属薄膜層での反射率から得られるずれ量（θ度）の分だけ計測対象２の表面が傾斜しているとして、推定値である角度θを出力する。
本発明の実施形態による表面角度計測装置１は、計測反射光を金属薄膜で受光すると共に、当該金属薄膜で表面プラズモン共鳴を生じさせるプラズモン共鳴手段と、表面プラズモン共鳴が生じた金属薄膜からの計測反射光の反射強度を計測する強度計測手段と、強度計測工程で計測された反射光の強度を基に、計測対象２の表面の傾斜角度を算出する傾斜角度算出手段と、を備えることを特徴としている。
【００２８】
以下、図２を参照して、本実施形態による表面角度計測装置１の構成について、具体的に説明する。図２は、表面角度計測装置１のセンサユニット３の構成を示す概略図である。
本実施形態による表面角度計測装置１は、上述したプラズモン共鳴手段、強度計測手段、及び後述する計測光照射手段を含むセンサユニット３と、上述した傾斜角度算出手段を含む演算部４とを備えている。
【００２９】
センサユニット３の計測光照射手段である計測光照射部５は、平行光（白色光）を発するコリメート光源６と、コリメート光源６から発せられた平行光を受光して該平行光の強度を監視する監視手段であって、コリメート光源６と対向するように配置され、例えばＣＣＤや光量センサなどで構成された第１受光素子７とを有している。
さらに計測光照射部５は、コリメート光源６と第１受光素子７との間に、コリメート光源６からの平行光を分離して、その一方を透過すると共に他方を反射する無極性のビームスプリッタ８（ハーフミラー）を有している。ビームスプリッタ８は、分離された平行光の一方が第１受光素子７にて受光され、他方が、計測対象２に向かって反射されるように配置される。
【００３０】
プラズモン共鳴手段であるプラズモンフィルタ部９は、図２に示すような、三角柱の光学プリズム１０と、例えばＡｇで構成された５０ｎｍ程度の表面プラズモン共鳴を発生させるための金属薄膜１１と、金属薄膜１１を腐食などから保護するための例えばＳｉＯ2で構成された保護層１２を備えている。
プリズム１０は、図２の紙面に示される上面及び底面の形状が、例えば直角二等辺三角形となっており、互いに略直角となる２側面１３，１４を有している。２側面１３，１４に隣接する斜面である側面２０上には、図２に示すように金属薄膜１１が積層されており、積層された金属薄膜１１上には保護層１２が形成されている。こうすることで保護層１２は、プリズム１０との間で金属薄膜１１を外気に触れさせないように保護している。こうして金属薄膜１１は、２側面１３，１４に対して略４５度で配置される。
【００３１】
計測対象２で反射した計測反射光は、２側面１３，１４のうち一方の側面１３側からプラズモンフィルタ部９に入射する。プラズモンフィルタ部９に入射した計測反射光は、金属薄膜１１で反射して２側面１３，１４のうち他方の側面１４側から出射する。
このようなプラズモンフィルタ部９は、フィルタ部９の周辺温度が一定に保たれるように図示しない光学窓付きの２重構造筐体に収められており、計測光照射部５を挟んで計測対象２とは反対側で、互いに略直角となる２側面１３，１４のうちの一方の側面１３を計測光照射部５に向けて配置されている。これによってプラズモンフィルタ部９は、計測対象２からの計測反射光を金属薄膜１１で受光することができる。
【００３２】
センサユニット３の強度検出手段である強度検出部１５は、プラズモンフィルタ部９から出射した計測反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離するスプリット面１６を有すると共にＰ偏光を透過させてＳ偏光をＰ偏光とは異なる方向に反射させる偏光ビームスプリッタ１７と、分離されたＰ偏光を受光して強度を検出する例えばＣＣＤで構成された第２受光素子１８と、分離されたＳ偏光を受光して強度を検出する例えばＣＣＤで構成された第３受光素子１９とを備えている。
【００３３】
偏光ビームスプリッタ１７は、スプリット面１６をプラズモンフィルタ部９に対して約４５度となるように向けて、プラズモンフィルタ部９で反射した計測反射光をスプリット面１６で受光できる位置に配置されている。これによって測定反射光は、偏光ビームスプリッタ１７のスプリット面１６に約４５度で入射する。
第２受光素子１８は、偏光ビームスプリッタ１７を挟んでプラズモンフィルタ部９とは反対側で、透過したＰ偏光を受光できる位置に設けられている。
【００３４】
また、第３受光素子１９は、スプリット面１６で反射されたＳ偏光を受光できる位置に設けられている。
Ｓ偏光の反射率は表面プラズモン共鳴の影響を受けないが、Ｐ偏光の反射率は表面プラズモン共鳴の影響を受けて変化するので、Ｓ偏光の反射率とＰ偏光の反射率を分けて検出する。
【００３５】
次に、演算部４の傾斜角度算出手段は、例えばパーソナルコンピュータなどのソフトウェアとして実現されるものであり、演算部４はセンサユニット３に電気的に接続されており、計測対象２の表面に対するプラズモンフィルタ部９の金属薄膜１１の角度を調整するために、図示しない駆動部を用いてセンサユニット３の角度を調整するとともに、第１受光素子７〜第３受光素子１９で検出した強度を受信する。
【００３６】
さらに傾斜角度算出手段は、表面プラズモン共鳴特性（ＳＰＲ特性）を示す図３の共鳴曲線（特性曲線）を保持している。
図３は、計測対象２からの計測反射光のプラズモンフィルタ部９の金属薄膜１１への入射角と、計測反射光の金属薄膜１１での反射率との関係を示す表面プラズモン共鳴特性を示すグラフである。図３における反射率は、特に第２受光素子１８で検出されたＰ偏光の反射率を第３受光素子１９で検出されたＳ偏光の反射率で除して得られた値（補正反射率）を示している。
【００３７】
図３において破線は、金属薄膜１１の保護層１２がない場合の表面プラズモン共鳴特性を表しており、グラフ下側の横軸に入射角度が示され、縦軸に反射率が示されている。図３において実線は、金属薄膜１１の保護層１２がある場合の表面プラズモン共鳴特性を表しており、グラフ上側の横軸に入射角度が示され、縦軸に反射率が示されている。
図３において実線で示される曲線では、ＳｉＯ2の保護層１２が無い場合に比べピークが緩やかであるので、角度計測の感度は半分程度となっている、しかし、金属薄膜１１の耐久性等を考慮すれば、プラズモンフィルタ部９に保護層１２を備えるほうが望ましい。
【００３８】
図４は、図３のグラフにおいて反射率が０となる点の近傍を近似した例を示す。図４（ａ）は、図３の破線に示すように保護層１２がない場合の曲線を４次関数で近似したグラフであり、約３５．１３９度付近でＰ偏光の強度が０となることで反射率が０となっているので、保護層１２がない場合の共鳴角は約３５．１３９度であることがわかる。
図４（ｂ）は、図３の実線に示すように保護層１２がある場合の曲線を６次関数で近似したグラフであり、約６５．５７度付近でＰ偏光の強度が０となることで反射率が０となっているので、保護層１２がある場合の共鳴角は約６５．５７度であることがわかる。
【００３９】
このような表面プラズモン共鳴特性は、金属薄膜１１及び保護層１２の屈折率などの物性によって決まるので、傾斜角度算出手段は、図３及び図４に示す特性曲線を予め保持しておくことができる。
具体的には、表面プラズモン共鳴特性は、使用する金属薄膜１１の種類によって変化するので、目的に応じて使用する金属薄膜１１の種類を変えて、例えば図３に示す曲線の半値幅を広くしたり、曲線のピーク位置（共鳴角）を変更することができる。
【００４０】
図３及び図４に示すグラフは、厚み５５ｎｍのＡｇ薄膜を屈折率１．７９のガラス上に成膜した場合に得られる、波長６３５ｎｍ付近で得られる共鳴曲線を計算値で出力したものである。波長によって消衰係数が異なるとともに、波長ごとに共鳴ピークの位置が変化するため、計測光に白色光を用いた場合には、金属薄膜１１で反射した計測反射光は、計測対象２の表面角度が変化するにつれて、強度（輝度）を変化させているのではなく色を変化させているように見える。
【００４１】
光源に単色光を用いると、計測対象２の光学特性を限定してしまうため、これを回避するために複数並びに連続スペクトルを持つ白色光を用いている。単色光では強度（輝度）の変化としてのみプラズモン共鳴の効果を見積もることになるが、白色光を光源として用いることにより、プラズモン共鳴の効果を色の変化として捕らえることが可能となる。
以上のように構成された表面角度計測装置１を用いて、計測対象の表面角度を求める方法について説明する。
【００４２】
まず、計測光照射部５のビームスプリッタ８から照射される平行光が、傾斜角度を０度とみなす仮想的な基準面に対して垂直に入射するように、表面角度計測装置１を設置する。その後、プラズモンフィルタ部９の金属薄膜１１と基準面とでなす角度が共鳴角である約６５．５７よりも大きい６６．９度となるように表面角度計測装置１の位置を調整する。
【００４３】
このような調整によって、傾斜角度が０度である基準面に垂直に入射した計測光は該基準面に垂直に反射し、反射した計測反射光は、金属薄膜１１に対して６６．９度の入射角で入射する。
プラズモンフィルタ部９の金属薄膜１１と基準面とでなす角度を共鳴角である約６５．５７ではなく６６．９度にする理由は、図３及び図４に示す特性曲線が共鳴角において反射率が０となる変極点を有するため、変曲点を挟んで入射角が変化する場合１つの反射率に対して２つの入射角が得られ、いずれの角度を採用すべきなのかが判断できなくなってしまうからである。
【００４４】
図３及び図４に示す特性曲線において、基準面（傾斜０度）で反射した計測反射光がプラズモンフィルタ部９の金属薄膜１１で反射した後の反射率が、０．２〜０．５程度になる入射角（ゼロ点Ａ）に、本実施形態においては６６．９度に対応するようにすれば、反射率が増加したときは入射角が大きくなる方向に計測面が傾いたと判断でき、反射率が減少したときは入射角が小さくなる方向に計測面が傾いたと判断できる。
【００４５】
プラズモンフィルタ部９に保護層１２がない場合は、入射角が３５．２度となる位置にゼロ点（Ｂ）を設定すると、同様に計測面の傾きを計測することができる。
このように表面角度計測装置１を設置した後、計測光照射部５のコリメート光源６から平行光を発し、計測対象２の表面に計測光として照射する。このとき、第１受光素子７は、照射された計測光の強度を検出し、検出した強度を傾斜角度算出手段に出力する。
【００４６】
計測対象２の表面（計測面）に照射された計測光が計測面で反射し、該反射された計測反射光は、計測光照射部５を通過してプラズモンフィルタ部９に入射して金属薄膜１１の表面で表面プラズモン共鳴を誘起して反射する。
金属薄膜１１の表面で反射した計測反射光は、プラズモンフィルタ部９から出射して、強度検出部１５の偏光ビームスプリッタ１７に入射する。偏光ビームスプリッタ１７に入射した計測反射光は、Ｐ偏光とＳ偏光に分離されて、Ｐ偏光は第２受光素子１８で受光され、且つＳ偏光は第３受光素子１９で受光される。第２受光素子１８で検出されたＰ偏光の強度と、第３受光素子１９で検出されたＳ偏光の強度は、傾斜角度算出手段に出力される。
【００４７】
このような動作を経て、演算部４の傾斜角度算出手段は、第１受光素子７で検出された計測光の強度と、第２受光素子１８で検出されたＰ偏光の強度と、第３受光素子１９で検出されたＳ偏光の強度と、図３及び図４に示す特性曲線と、を有することになる。
ここで、第２受光素子１８で検出されたＰ偏光の強度である反射率を第３受光素子１９で検出されたＳ偏光の強度である反射率で除して得られた反射率（補正反射率）と、図３及び図４に示す特性曲線とを用いれば、該補正反射率に対応する計測反射光の金属薄膜１１への入射角を得ることができる。例えば、図４（ｂ）において、補正反射率が０．３であった場合、得られる入射角は６６．９５度である。これは、ゼロ点である６６．９度よりも金属薄膜１１への入射角が０．０５度大きいので、計測対象２の表面は、基準面（０度）より正の方向、図１及び図２の紙面に向かって左回りとなる方向に０．０５度傾いていると判断することができる。
【００４８】
このようにして、計測対象の表面の傾斜角度を計測することができる。
ここで、図３及び図４に示すように、表面プラズモン共鳴の特性曲線を用いて、角度感度を線形近似で試算すると、反射率の７０％分の変化が、約０．１４度分の入射角の変化に相当するので、反射率１％分の変化が検出できる計測精度が実現できれば、２×１０-3度の角度変化を検出できることになる。
【００４９】
これに加えて、階調が１２ビット以上の高精度ＣＣＤカメラ等を用い、０．１％以下の反射率変化を計測することで、２×１０-4度以下の計測精度を得ることも可能である。
なお、表面プラズモン共鳴は、金属薄膜に対する平行光の照射角度のみに依存して誘起されるため、本実施形態の表面角度計測装置１における表面プラズモン共鳴は、平行光である計測反射光の金属薄膜１１への入射角度のみに依存して誘起され、金属薄膜１１から計測対象までの距離には依存していない。よって表面角度計測装置１から計測対象２までの距離は任意に選ぶことができる。
【００５０】
なお、第２受光素子１８で受光されるＰ偏光の強度は、プラズモンフィルタ部９に入射する前に、計測対象２の表面反射率が変動していることに起因する影響を受けていることが予想される。この影響分を補正するためにはＰ偏光の強度と、Ｐ偏光と同様の影響を受けているＳ偏光の強度の比をとって、当該影響分をキャンセルすることが有効である。そこで、本実施形態では、最も簡単な方法として、第３受光素子１９の出力であるＳ偏光の強度Ｓ１と第２受光素子１８の出力であるＰ偏光の強度Ｐ１の比をとり、Ｐ１／Ｓ１を、図３及び図４の特性曲線における反射率（補正反射率）として定義した。
【００５１】
しかし、これに対して、偏光ビームスプリッタ１７を用いずに計測反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離することなく、該計測反射光の強度を例えば第２受光素子１８で直接検出し、傾斜角度算出手段が、Ｐ偏光とＳ偏光に分離しない場合の表面プラズモン共鳴の特性曲線と検出した計測反射光の強度とを基に、金属薄膜１１への計測反射光の入射角を算出して計測対象の表面角度を検出してもよい。
【００５２】
このとき、強度検出部１５が検出した計測反射光の強度変動が、光源から発せられた計測光の強度変動の影響や、計測対象２の表面の反射率変動の影響を受けている可能性がある。これに対しては、第１受光素子７が検出した強度変動と強度検出部１５が検出した強度変動とを同期して比較することで、強度検出部１５が検出した計測反射光の強度のうち、強度変動の影響や反射率変動の影響を受けている部分を検出することができる。
【００５３】
また、第１受光素子７によって光源の強度を監視していれば、光源強度の低下の程度を基にして、光源の故障や劣化を検出することができる。
ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００５４】
例えば、図４に示すように、４次および６次の近似で共鳴角付近の表面プラズモン共鳴特性を良好に近似できるが、反射率の大きさを０．１ずつの区画に分け、各区画の近似を直線で行うなどの方法も可能である。
また、第２受光素子１８がＣＣＤセンサ（エリアセンサ）である場合、受光した各画素の位置やその位置での輝度を比較することで、面の角度分布を容易に計測できる。従って、レンズアレイを用いるシャックハルトマン型の波面センサの高感度化にも本発明は適用できる。
【符号の説明】
【００５５】
１ 表面角度計測装置
２ 計測対象
３ センサユニット
４ 演算部
５ 計測光照射部
６ コリメート光源
７ 第１受光素子
８ ビームスプリッタ
９ プラズモンフィルタ部
１０ プリズム
１１ 金属薄膜
１２ 保護層
１３，１４，２０ 側面
１５ 強度検出部
１６ スプリット面
１７ 偏光ビームスプリッタ
１８ 第２受光素子
１９ 第３受光素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体表面の角度を計測する表面角度計測方法及び表面角度計測装置に関するものであって、特に、鏡面を有する物体表面の角度及び角度変化を、表面プラズモン共鳴を利用して計測する表面角度計測方法及び表面角度計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体表面の向き、すなわち物体表面の角度（傾き）を調べる手法として、レーザー等の光源を用いて物体表面の角度変位を拡大し検出する光てこ法に基づく手法、受光した平行光の結像位置のずれから物体表面の角度変位を検出するオートコリメータを用いる手法、及びレンズアレイで物体表面の像を結んで結像位置のずれから物体表面の角度変位を検出するシャックハルトマン型の波面センサを用いる手法などが、一般的に良く知られている。
【０００３】
これらの手法では、近年、物体表面の画像を撮像する撮像素子の画素サイズが小さくなったことと画素密度が向上したこととにより、受光した光線の重心位置を１ピクセル以下で算出して取得し光線の角度を計測できる（サブピクセル法）。
特許文献１は、このような手法で用いられる装置のうち、平行光をレンズアレイで撮像素子上に集光して波面を計測するシャックハルトマン型の波面センサである光波面測定装置について開示している。
【０００４】
特許文献１に開示の光波面測定装置は、空間を伝播してくる測定光を集光するレンズアレイと、レンズアレイにより集光された測定光を電気信号に変換する光検出器アレイと、光検出器アレイの面上における光強度の２次元分布に相当する電気信号を光検出器アレイから取り出す読み出し回路と、読み出し回路により取り出された電気信号に基づいて、光検出器アレイの面上の集光スポット位置を検出する光強度分布検出部と、光強度分布検出部により検出された集光スポット位置に基づいて、測定光の波面入射角を計算する測定光波面入射角計算部と、測定光波面入射角計算部により計算された波面入射角に基づいて測定光の波面形状を計算する波面形状計算部とを備えている。
【０００５】
この光波面測定装置において、読み出し回路により取り出された電気信号を時刻と対応付けて順次記憶して、記憶されたそれぞれの時刻における電気信号の信号対雑音比を計算する。読み出し回路によって取り出された現在時刻における電気信号の信号対雑音比が所定閾値よりも低い場合には、所定閾値以上の信号対雑音比を有する過去の時刻の電気信号を先見情報として利用して現在時刻における光検出器アレイの面上の集光スポット位置を予測して検出する。
【０００６】
その上で、現在時刻における電気信号の信号対雑音比が所定閾値よりも低い場合には、光強度分布検出部により予測された集光スポット位置に基づいて、測定光の波面入射角を計算している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１６２６１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した物体表面の角度を調べる手法では、物体表面の画像から重心位置を取得する際にサブピクセル法を用いている。しかしながら、いかにサブピクセル法を用いても、その測定のスケールは、画素サイズの１／１０程度までが限度である。
よって、光てこ法に基づく手法、オートコリメータを用いる手法、及びシャックハルトマン型の波面センサを用いる手法のいずれに対しても、画素サイズを小さくすることで物体表面の画像分解能を上げることは可能であるが、画素サイズに下限がある以上、測定スケールも画素サイズに制約され、下限がある。
【０００９】
実際に、いわゆる高精細のカメラでは、画素サイズは１μｍ程度であるため、オートコリメータを用いる手法において、反射光を直接ＣＣＤ（電荷結合素子）に投影した場合、オートコリメータの検出感度（測定スケール）は約５秒（１．３９×１０-3ｄｅｇ）程度である。通常はレンズを通して反射光をＣＣＤに投影するため、現在用いられているオートコリメータの感度は０．５秒程度が限界であり、これ以上の検出感度の向上は困難である。
【００１０】
これとは別に、光てこ法に基づく手法では、計測装置から計測対象までの計測距離を大きくすることにより、撮像位置の微小な変化に対応した角度変化を捉えることが出来る。しかし、計測対象までの距離を大きくすると、レンズの作動距離（ＷＤ）に制限があることと、ダイナミックレンジの小さな角度変化しか測定できなくなるということが問題となり、光てこ法は、計測装置から計測対象までの計測距離に依存した手法であるといえる。
【００１１】
すなわち、従来の技術では、計測対象表面の傾斜角度が、光線光学に基づいた撮像素子上の光点の位置でしか捕らえられないことから、物体表面の角度変位を１０-4ｄｅｇ以下のオーダーで検出するには多くの問題がある。したがって、測定に用いる光線の波長や輝度など、測定対象の位置とは異なる情報に角度情報を乗せることで、計測対象までの位置を示す距離のパラメータに依存せずに微小な角度まで計測対象表面の傾斜角度を計測することが必要となる。
【００１２】
本発明は、このような問題に鑑み、物体表面の角度の検出感度を向上させることができると共に、計測装置から物体表面までの計測距離に依存することなく精密に物体表面の角度を計測することができる表面角度計測方法及び表面角度計測装置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】
【００１３】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明の表面角度計測方法は、計測対象の表面に計測光を照射すると共に、当該計測対象で反射した計測反射光を受光することで計測対象の表面の傾斜角度を計測する方法であって、前記計測反射光を金属膜で受光すると共に、当該金属膜で表面プラズモン共鳴を生じさせるプラズモン共鳴工程と、表面プラズモン共鳴が生じた金属膜からの反射光の強度を計測する強度計測工程と、前記強度計測工程で計測された反射光の強度を基に、前記計測対象の表面の傾斜角度を算出する傾斜角度算出工程と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
この方法によって、計測対象の表面で反射した計測反射光を、表面プラズモン光学系に導入することにより、金属薄膜に入射する角度に依存した強度の計測反射光を得ることが出来る。
ここで前記傾斜角度算出工程は、前記入射光の角度と前記金属膜からの反射光の強度とを関係づける表面プラズモン共鳴の特性曲線に基づいて、前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする。
【００１５】
また前記強度検出工程は、前記金属膜で反射した反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離すると共に、Ｐ偏光の強度とＳ偏光の強度を検出し、前記傾斜角度算出工程は、検出されたＰ偏光の強度に応じた前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする。
さらに前記強度検出工程は、前記金属膜で反射した反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離すると共に、Ｐ偏光の強度とＳ偏光の強度を検出し、前記傾斜角度算出工程は、検出されたＰ偏光の強度とＳ偏光の強度の比を反射率として算出し、算出された反射率に応じた前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする。
【００１６】
本発明の表面角度計測装置は、計測対象の表面に計測光を照射すると共に、当該計測対象で反射した計測反射光を受光することで計測対象の表面の傾斜角度を計測する装置であって、前記計測反射光を金属膜で受光すると共に、当該金属膜で表面プラズモン共鳴を生じさせるプラズモン共鳴手段と、表面プラズモン共鳴が生じた金属膜からの反射光の強度を計測する強度計測手段と、前記強度計測工程で計測された反射光の強度を基に、前記計測対象の表面の傾斜角度を算出する傾斜角度算出手段と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
ここで前記傾斜角度算出手段は、前記入射光の角度と前記金属膜からの反射光の強度とを関係づける表面プラズモン共鳴の特性曲線に基づいて、前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする。
また前記強度検出手段は、前記金属膜で反射した反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離すると共に、Ｐ偏光の強度とＳ偏光の強度を検出し、前記傾斜角度算出手段は、検出されたＰ偏光の強度に応じた前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする。
【００１８】
また前記強度検出手段は、前記金属膜で反射した反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離すると共に、Ｐ偏光の強度とＳ偏光の強度を検出し、前記傾斜角度算出手段は、検出されたＰ偏光の強度とＳ偏光の強度の比を反射率として算出し、算出された反射率に応じた前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする。
ここで前記計測光照射手段は、照射した計測光の強度を監視する監視手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る表面角度計測方法及び表面角度計測装置によれば、物体表面の角度の検出感度を向上させることができると共に、計測装置から物体表面までの計測距離に依存することなく精密に物体表面の角度を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態による表面角度計測装置の計測原理の概念を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態による表面角度計測装置のセンサユニットの構成を示す概略図である。
【図３】本発明の実施形態による表面角度計測装置における表面プラズモン共鳴特性を表すグラフを示す図である。
【図４】本発明の実施形態による表面角度計測装置における表面プラズモン共鳴の特性曲線を近似したグラフを示す図であり、（ａ）は保護層を設けなかった場合を示し、（ｂ）は保護層を設けた場合を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態による表面角度計測装置について説明する。
まず、図１を参照して、本実施形態による表面角度計測装置１の概要について説明する。図１は、表面角度計測装置１の計測動作を模式的に示した図である。
図１に示すように、本発明の実施形態による表面角度計測装置１は、入射光に対して全反射角領域のある一定角度において特有の光の吸収（反射光の減衰）を起こす表面プラズモン共鳴の原理を応用し、計測対象２の表面（計測面）の傾きを計測するものである。
【００２２】
ところで、表面プラズモン共鳴は、金属層に光が入射した場合に入射光により生成されたエバネッセント波に共鳴して、金属表面に誘起される表面プラズモン波が励起される現象である。表面プラズモン共鳴は、入射光の波長及び入射角度に依存しており、表面プラズモン共鳴が励起されたときには、特定の入射角又は特定の波長を有する光成分の光エネルギーが表面プラズモン波へ移行することにより、対応する入射角又は波長を有する反射光の強度が減少するという特徴がある。
【００２３】
表面プラズモン共鳴を起こすためには、特定の表面プラズモン波を有する金属と、表面プラズモン波と共鳴するエバネッセント波を誘起する光学構造とが必要となる。その光学構造の一つは光学プリズム（以下、単にプリズムと称する。）の全反射を利用したものであり、一般にクレッチマン配置と呼ばれる。
表面プラズモン波を励起するためのプラズモン共鳴チップは、主にガラスや樹脂などの透明基板と、その透明基板上に形成される５０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の金属薄膜とからなり、金属薄膜にはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等が適用される。
【００２４】
金属薄膜の角度特性から考えて、微小角の検出にはＡｇ、ついでＡｕが好ましい共鳴特性を有する。Ａｇは感度が高いが、Ａｇではダイナミックレンジが不足するという場合にはＡｕを用いることが望ましい。合金化や基板密着層に用いる金属などをコントロールすることで、共鳴特性の微調整が可能である。
また、表面プラズモン共鳴は、金属薄膜表面の屈折率に依存するため、温度の変化等にも敏感に反応するので温度変化が計測誤差の要因となりうる。そこで、温度変化の影響を小さくするためには、基板表面に保護層を兼ねたＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3などの光学薄膜層を設け、さらに、プラズモン共鳴チップの保護筐体を断熱構造にすることが望ましい。
【００２５】
このような表面プラズモン共鳴を応用した表面角度計測装置１の概要について、さらに説明する。
表面角度計測装置１は、Ｓｉウェハなど、鏡面性の高い計測対象２の表面に計測光である平行光を照射して計測対象２の表面からの計測反射光を例えば金属の薄膜層で受光する。このとき金属薄膜層を、計測対象２の表面からの計測反射光が表面プラズモン共鳴の共鳴角付近で入射するように配置しておくと、計測反射光の入射によって金属薄膜層に表面プラズモン共鳴が起こり、入射した計測反射光の一部または全部が吸収される。これによって、該計測反射光の、金属薄膜層への入射強度に対する金属薄膜層からの反射強度が低下、つまり計測反射光の金属薄膜層での反射率が低下する。
【００２６】
計測対象２の表面からの計測反射光が金属薄膜層に対して共鳴角で入射すると計測反射光の反射率はほぼ０となるが、共鳴角からずれると当該反射率はそのずれ量に対応して０より大きく１以下の値となる。共鳴角からのずれ量と計測反射光の反射率は対応関係にあるので、反射率が分かればその反射率を基にして共鳴角からのずれ量を取得することができる。
【００２７】
そこで、計測対象２の表面からの計測反射光が金属薄膜層に対して共鳴角で入射するときの計測対象２の表面の傾き角度を基準面角度（０度）であるとすると、図１に示すように、表面角度計測装置１は、金属薄膜層での反射率から得られるずれ量（θ度）の分だけ計測対象２の表面が傾斜しているとして、推定値である角度θを出力する。
本発明の実施形態による表面角度計測装置１は、計測反射光を金属薄膜で受光すると共に、当該金属薄膜で表面プラズモン共鳴を生じさせるプラズモン共鳴手段と、表面プラズモン共鳴が生じた金属薄膜からの計測反射光の反射強度を計測する強度計測手段と、強度計測工程で計測された反射光の強度を基に、計測対象２の表面の傾斜角度を算出する傾斜角度算出手段と、を備えることを特徴としている。
【００２８】
以下、図２を参照して、本実施形態による表面角度計測装置１の構成について、具体的に説明する。図２は、表面角度計測装置１のセンサユニット３の構成を示す概略図である。
本実施形態による表面角度計測装置１は、上述したプラズモン共鳴手段、強度計測手段、及び後述する計測光照射手段を含むセンサユニット３と、上述した傾斜角度算出手段を含む演算部４とを備えている。
【００２９】
センサユニット３の計測光照射手段である計測光照射部５は、平行光（白色光）を発するコリメート光源６と、コリメート光源６から発せられた平行光を受光して該平行光の強度を監視する監視手段であって、コリメート光源６と対向するように配置され、例えばＣＣＤや光量センサなどで構成された第１受光素子７とを有している。
さらに計測光照射部５は、コリメート光源６と第１受光素子７との間に、コリメート光源６からの平行光を分離して、その一方を透過すると共に他方を反射する無極性のビームスプリッタ８（ハーフミラー）を有している。ビームスプリッタ８は、分離された平行光の一方が第１受光素子７にて受光され、他方が、計測対象２に向かって反射されるように配置される。
【００３０】
プラズモン共鳴手段であるプラズモンフィルタ部９は、図２に示すような、三角柱の光学プリズム１０と、例えばＡｇで構成された５０ｎｍ程度の表面プラズモン共鳴を発生させるための金属薄膜１１と、金属薄膜１１を腐食などから保護するための例えばＳｉＯ2で構成された保護層１２を備えている。
プリズム１０は、図２の紙面に示される上面及び底面の形状が、例えば直角二等辺三角形となっており、互いに略直角となる２側面１３，１４を有している。２側面１３，１４に隣接する斜面である側面２０上には、図２に示すように金属薄膜１１が積層されており、積層された金属薄膜１１上には保護層１２が形成されている。こうすることで保護層１２は、プリズム１０との間で金属薄膜１１を外気に触れさせないように保護している。こうして金属薄膜１１は、２側面１３，１４に対して略４５度で配置される。
【００３１】
計測対象２で反射した計測反射光は、２側面１３，１４のうち一方の側面１３側からプラズモンフィルタ部９に入射する。プラズモンフィルタ部９に入射した計測反射光は、金属薄膜１１で反射して２側面１３，１４のうち他方の側面１４側から出射する。
このようなプラズモンフィルタ部９は、フィルタ部９の周辺温度が一定に保たれるように図示しない光学窓付きの２重構造筐体に収められており、計測光照射部５を挟んで計測対象２とは反対側で、互いに略直角となる２側面１３，１４のうちの一方の側面１３を計測光照射部５に向けて配置されている。これによってプラズモンフィルタ部９は、計測対象２からの計測反射光を金属薄膜１１で受光することができる。
【００３２】
センサユニット３の強度検出手段である強度検出部１５は、プラズモンフィルタ部９から出射した計測反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離するスプリット面１６を有すると共にＰ偏光を透過させてＳ偏光をＰ偏光とは異なる方向に反射させる偏光ビームスプリッタ１７と、分離されたＰ偏光を受光して強度を検出する例えばＣＣＤで構成された第２受光素子１８と、分離されたＳ偏光を受光して強度を検出する例えばＣＣＤで構成された第３受光素子１９とを備えている。
【００３３】
偏光ビームスプリッタ１７は、スプリット面１６をプラズモンフィルタ部９に対して約４５度となるように向けて、プラズモンフィルタ部９で反射した計測反射光をスプリット面１６で受光できる位置に配置されている。これによって測定反射光は、偏光ビームスプリッタ１７のスプリット面１６に約４５度で入射する。
第２受光素子１８は、偏光ビームスプリッタ１７を挟んでプラズモンフィルタ部９とは反対側で、透過したＰ偏光を受光できる位置に設けられている。
【００３４】
また、第３受光素子１９は、スプリット面１６で反射されたＳ偏光を受光できる位置に設けられている。
Ｓ偏光の反射率は表面プラズモン共鳴の影響を受けないが、Ｐ偏光の反射率は表面プラズモン共鳴の影響を受けて変化するので、Ｓ偏光の反射率とＰ偏光の反射率を分けて検出する。
【００３５】
次に、演算部４の傾斜角度算出手段は、例えばパーソナルコンピュータなどのソフトウェアとして実現されるものであり、演算部４はセンサユニット３に電気的に接続されており、計測対象２の表面に対するプラズモンフィルタ部９の金属薄膜１１の角度を調整するために、図示しない駆動部を用いてセンサユニット３の角度を調整するとともに、第１受光素子７〜第３受光素子１９で検出した強度を受信する。
【００３６】
さらに傾斜角度算出手段は、表面プラズモン共鳴特性（ＳＰＲ特性）を示す図３の共鳴曲線（特性曲線）を保持している。
図３は、計測対象２からの計測反射光のプラズモンフィルタ部９の金属薄膜１１への入射角と、計測反射光の金属薄膜１１での反射率との関係を示す表面プラズモン共鳴特性を示すグラフである。図３における反射率は、特に第２受光素子１８で検出されたＰ偏光の反射率を第３受光素子１９で検出されたＳ偏光の反射率で除して得られた値（補正反射率）を示している。
【００３７】
図３において破線は、金属薄膜１１の保護層１２がない場合の表面プラズモン共鳴特性を表しており、グラフ下側の横軸に入射角度が示され、縦軸に反射率が示されている。図３において実線は、金属薄膜１１の保護層１２がある場合の表面プラズモン共鳴特性を表しており、グラフ上側の横軸に入射角度が示され、縦軸に反射率が示されている。
図３において実線で示される曲線では、ＳｉＯ2の保護層１２が無い場合に比べピークが緩やかであるので、角度計測の感度は半分程度となっている、しかし、金属薄膜１１の耐久性等を考慮すれば、プラズモンフィルタ部９に保護層１２を備えるほうが望ましい。
【００３８】
図４は、図３のグラフにおいて反射率が０となる点の近傍を近似した例を示す。図４（ａ）は、図３の破線に示すように保護層１２がない場合の曲線を４次関数で近似したグラフであり、約３５．１３９度付近でＰ偏光の強度が０となることで反射率が０となっているので、保護層１２がない場合の共鳴角は約３５．１３９度であることがわかる。
図４（ｂ）は、図３の実線に示すように保護層１２がある場合の曲線を６次関数で近似したグラフであり、約６５．５７度付近でＰ偏光の強度が０となることで反射率が０となっているので、保護層１２がある場合の共鳴角は約６５．５７度であることがわかる。
【００３９】
このような表面プラズモン共鳴特性は、金属薄膜１１及び保護層１２の屈折率などの物性によって決まるので、傾斜角度算出手段は、図３及び図４に示す特性曲線を予め保持しておくことができる。
具体的には、表面プラズモン共鳴特性は、使用する金属薄膜１１の種類によって変化するので、目的に応じて使用する金属薄膜１１の種類を変えて、例えば図３に示す曲線の半値幅を広くしたり、曲線のピーク位置（共鳴角）を変更することができる。
【００４０】
図３及び図４に示すグラフは、厚み５５ｎｍのＡｇ薄膜を屈折率１．７９のガラス上に成膜した場合に得られる、波長６３５ｎｍ付近で得られる共鳴曲線を計算値で出力したものである。波長によって消衰係数が異なるとともに、波長ごとに共鳴ピークの位置が変化するため、計測光に白色光を用いた場合には、金属薄膜１１で反射した計測反射光は、計測対象２の表面角度が変化するにつれて、強度（輝度）を変化させているのではなく色を変化させているように見える。
【００４１】
光源に単色光を用いると、計測対象２の光学特性を限定してしまうため、これを回避するために複数並びに連続スペクトルを持つ白色光を用いている。単色光では強度（輝度）の変化としてのみプラズモン共鳴の効果を見積もることになるが、白色光を光源として用いることにより、プラズモン共鳴の効果を色の変化として捕らえることが可能となる。
以上のように構成された表面角度計測装置１を用いて、計測対象の表面角度を求める方法について説明する。
【００４２】
まず、計測光照射部５のビームスプリッタ８から照射される平行光が、傾斜角度を０度とみなす仮想的な基準面に対して垂直に入射するように、表面角度計測装置１を設置する。その後、プラズモンフィルタ部９の金属薄膜１１と基準面とでなす角度が共鳴角である約６５．５７よりも大きい６６．９度となるように表面角度計測装置１の位置を調整する。
【００４３】
このような調整によって、傾斜角度が０度である基準面に垂直に入射した計測光は該基準面に垂直に反射し、反射した計測反射光は、金属薄膜１１に対して６６．９度の入射角で入射する。
プラズモンフィルタ部９の金属薄膜１１と基準面とでなす角度を共鳴角である約６５．５７ではなく６６．９度にする理由は、図３及び図４に示す特性曲線が共鳴角において反射率が０となる変極点を有するため、変曲点を挟んで入射角が変化する場合１つの反射率に対して２つの入射角が得られ、いずれの角度を採用すべきなのかが判断できなくなってしまうからである。
【００４４】
図３及び図４に示す特性曲線において、基準面（傾斜０度）で反射した計測反射光がプラズモンフィルタ部９の金属薄膜１１で反射した後の反射率が、０．２〜０．５程度になる入射角（ゼロ点Ａ）に、本実施形態においては６６．９度に対応するようにすれば、反射率が増加したときは入射角が大きくなる方向に計測面が傾いたと判断でき、反射率が減少したときは入射角が小さくなる方向に計測面が傾いたと判断できる。
【００４５】
プラズモンフィルタ部９に保護層１２がない場合は、入射角が３５．２度となる位置にゼロ点（Ｂ）を設定すると、同様に計測面の傾きを計測することができる。
このように表面角度計測装置１を設置した後、計測光照射部５のコリメート光源６から平行光を発し、計測対象２の表面に計測光として照射する。このとき、第１受光素子７は、照射された計測光の強度を検出し、検出した強度を傾斜角度算出手段に出力する。
【００４６】
計測対象２の表面（計測面）に照射された計測光が計測面で反射し、該反射された計測反射光は、計測光照射部５を通過してプラズモンフィルタ部９に入射して金属薄膜１１の表面で表面プラズモン共鳴を誘起して反射する。
金属薄膜１１の表面で反射した計測反射光は、プラズモンフィルタ部９から出射して、強度検出部１５の偏光ビームスプリッタ１７に入射する。偏光ビームスプリッタ１７に入射した計測反射光は、Ｐ偏光とＳ偏光に分離されて、Ｐ偏光は第２受光素子１８で受光され、且つＳ偏光は第３受光素子１９で受光される。第２受光素子１８で検出されたＰ偏光の強度と、第３受光素子１９で検出されたＳ偏光の強度は、傾斜角度算出手段に出力される。
【００４７】
このような動作を経て、演算部４の傾斜角度算出手段は、第１受光素子７で検出された計測光の強度と、第２受光素子１８で検出されたＰ偏光の強度と、第３受光素子１９で検出されたＳ偏光の強度と、図３及び図４に示す特性曲線と、を有することになる。
ここで、第２受光素子１８で検出されたＰ偏光の強度である反射率を第３受光素子１９で検出されたＳ偏光の強度である反射率で除して得られた反射率（補正反射率）と、図３及び図４に示す特性曲線とを用いれば、該補正反射率に対応する計測反射光の金属薄膜１１への入射角を得ることができる。例えば、図４（ｂ）において、補正反射率が０．３であった場合、得られる入射角は６６．９５度である。これは、ゼロ点である６６．９度よりも金属薄膜１１への入射角が０．０５度大きいので、計測対象２の表面は、基準面（０度）より正の方向、図１及び図２の紙面に向かって左回りとなる方向に０．０５度傾いていると判断することができる。
【００４８】
このようにして、計測対象の表面の傾斜角度を計測することができる。
ここで、図３及び図４に示すように、表面プラズモン共鳴の特性曲線を用いて、角度感度を線形近似で試算すると、反射率の７０％分の変化が、約０．１４度分の入射角の変化に相当するので、反射率１％分の変化が検出できる計測精度が実現できれば、２×１０-3度の角度変化を検出できることになる。
【００４９】
これに加えて、階調が１２ビット以上の高精度ＣＣＤカメラ等を用い、０．１％以下の反射率変化を計測することで、２×１０-4度以下の計測精度を得ることも可能である。
なお、表面プラズモン共鳴は、金属薄膜に対する平行光の照射角度のみに依存して誘起されるため、本実施形態の表面角度計測装置１における表面プラズモン共鳴は、平行光である計測反射光の金属薄膜１１への入射角度のみに依存して誘起され、金属薄膜１１から計測対象までの距離には依存していない。よって表面角度計測装置１から計測対象２までの距離は任意に選ぶことができる。
【００５０】
なお、第２受光素子１８で受光されるＰ偏光の強度は、プラズモンフィルタ部９に入射する前に、計測対象２の表面反射率が変動していることに起因する影響を受けていることが予想される。この影響分を補正するためにはＰ偏光の強度と、Ｐ偏光と同様の影響を受けているＳ偏光の強度の比をとって、当該影響分をキャンセルすることが有効である。そこで、本実施形態では、最も簡単な方法として、第３受光素子１９の出力であるＳ偏光の強度Ｓ１と第２受光素子１８の出力であるＰ偏光の強度Ｐ１の比をとり、Ｐ１／Ｓ１を、図３及び図４の特性曲線における反射率（補正反射率）として定義した。
【００５１】
しかし、これに対して、偏光ビームスプリッタ１７を用いずに計測反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離することなく、該計測反射光の強度を例えば第２受光素子１８で直接検出し、傾斜角度算出手段が、Ｐ偏光とＳ偏光に分離しない場合の表面プラズモン共鳴の特性曲線と検出した計測反射光の強度とを基に、金属薄膜１１への計測反射光の入射角を算出して計測対象の表面角度を検出してもよい。
【００５２】
このとき、強度検出部１５が検出した計測反射光の強度変動が、光源から発せられた計測光の強度変動の影響や、計測対象２の表面の反射率変動の影響を受けている可能性がある。これに対しては、第１受光素子７が検出した強度変動と強度検出部１５が検出した強度変動とを同期して比較することで、強度検出部１５が検出した計測反射光の強度のうち、強度変動の影響や反射率変動の影響を受けている部分を検出することができる。
【００５３】
また、第１受光素子７によって光源の強度を監視していれば、光源強度の低下の程度を基にして、光源の故障や劣化を検出することができる。
ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００５４】
例えば、図４に示すように、４次および６次の近似で共鳴角付近の表面プラズモン共鳴特性を良好に近似できるが、反射率の大きさを０．１ずつの区画に分け、各区画の近似を直線で行うなどの方法も可能である。
また、第２受光素子１８がＣＣＤセンサ（エリアセンサ）である場合、受光した各画素の位置やその位置での輝度を比較することで、面の角度分布を容易に計測できる。従って、レンズアレイを用いるシャックハルトマン型の波面センサの高感度化にも本発明は適用できる。
【符号の説明】
【００５５】
１ 表面角度計測装置
２ 計測対象
３ センサユニット
４ 演算部
５ 計測光照射部
６ コリメート光源
７ 第１受光素子
８ ビームスプリッタ
９ プラズモンフィルタ部
１０ プリズム
１１ 金属薄膜
１２ 保護層
１３，１４，２０ 側面
１５ 強度検出部
１６ スプリット面
１７ 偏光ビームスプリッタ
１８ 第２受光素子
１９ 第３受光素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象の表面に計測光を照射すると共に、当該計測対象で反射した計測反射光を受光することで計測対象の表面の傾斜角度を計測する方法であって、
前記計測反射光を金属膜で受光すると共に、当該金属膜で表面プラズモン共鳴を生じさせるプラズモン共鳴工程と、
表面プラズモン共鳴が生じた金属膜からの反射光の強度を計測する強度計測工程と、
前記強度計測工程で計測された反射光の強度を基に、前記計測対象の表面の傾斜角度を算出する傾斜角度算出工程と、を備えることを特徴とする表面角度計測方法。
【請求項２】
前記傾斜角度算出工程は、
前記入射光の角度と前記金属膜からの反射光の強度とを関係づける表面プラズモン共鳴の特性曲線に基づいて、前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする請求項１に記載の表面角度計測方法。
【請求項３】
前記強度検出工程は、前記金属膜で反射した反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離すると共に、Ｐ偏光の強度とＳ偏光の強度を検出し、
前記傾斜角度算出工程は、検出されたＰ偏光の強度に応じた前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする請求項２に記載の表面角度計測方法。
【請求項４】
前記強度検出工程は、前記金属膜で反射した反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離すると共に、Ｐ偏光の強度とＳ偏光の強度を検出し、
前記傾斜角度算出工程は、検出されたＰ偏光の強度とＳ偏光の強度の比を反射率として算出し、算出された反射率に応じた前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする請求項２に記載の表面角度計測方法。
【請求項５】
計測対象の表面に計測光を照射すると共に、当該計測対象で反射した計測反射光を受光することで計測対象の表面の傾斜角度を計測する装置であって、
前記計測反射光を金属膜で受光すると共に、当該金属膜で表面プラズモン共鳴を生じさせるプラズモン共鳴手段と、
表面プラズモン共鳴が生じた金属膜からの反射光の強度を計測する強度計測手段と、
前記強度計測手段で計測された反射光の強度を基に、前記計測対象の表面の傾斜角度を算出する傾斜角度算出手段と、を備えることを特徴とする表面角度計測装置。
【請求項６】
前記傾斜角度算出手段は、
前記入射光の角度と前記金属膜からの反射光の強度とを関係づける表面プラズモン共鳴の特性曲線に基づいて、前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする請求項５に記載の表面角度計測装置。
【請求項７】
前記強度検出手段は、前記金属膜で反射した反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離すると共に、Ｐ偏光の強度とＳ偏光の強度を検出し、
前記傾斜角度算出手段は、検出されたＰ偏光の強度に応じた前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする請求項６に記載の表面角度計測装置。
【請求項８】
前記強度検出手段は、前記金属膜で反射した反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離すると共に、Ｐ偏光の強度とＳ偏光の強度を検出し、
前記傾斜角度算出手段は、検出されたＰ偏光の強度とＳ偏光の強度の比を反射率として算出し、算出された反射率に応じた前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする請求項６に記載の表面角度計測装置。
【請求項９】
前記計測光照射手段は、照射した計測光の強度を監視する監視手段を有することを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の表面角度計測装置。
【請求項１】
計測対象の表面に計測光を照射すると共に、当該計測対象で反射した計測反射光を受光することで計測対象の表面の傾斜角度を計測する方法であって、
前記計測反射光を金属膜で受光すると共に、当該金属膜で表面プラズモン共鳴を生じさせるプラズモン共鳴工程と、
表面プラズモン共鳴が生じた金属膜からの反射光の強度を計測する強度計測工程と、
前記強度計測工程で計測された反射光の強度を基に、前記計測対象の表面の傾斜角度を算出する傾斜角度算出工程と、を備えることを特徴とする表面角度計測方法。
【請求項２】
前記傾斜角度算出工程は、
前記入射光の角度と前記金属膜からの反射光の強度とを関係づける表面プラズモン共鳴の特性曲線に基づいて、前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする請求項１に記載の表面角度計測方法。
【請求項３】
前記強度検出工程は、前記金属膜で反射した反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離すると共に、Ｐ偏光の強度とＳ偏光の強度を検出し、
前記傾斜角度算出工程は、検出されたＰ偏光の強度に応じた前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする請求項２に記載の表面角度計測方法。
【請求項４】
前記強度検出工程は、前記金属膜で反射した反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離すると共に、Ｐ偏光の強度とＳ偏光の強度を検出し、
前記傾斜角度算出工程は、検出されたＰ偏光の強度とＳ偏光の強度の比を反射率として算出し、算出された反射率に応じた前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする請求項２に記載の表面角度計測方法。
【請求項５】
計測対象の表面に計測光を照射すると共に、当該計測対象で反射した計測反射光を受光することで計測対象の表面の傾斜角度を計測する装置であって、
前記計測反射光を金属膜で受光すると共に、当該金属膜で表面プラズモン共鳴を生じさせるプラズモン共鳴手段と、
表面プラズモン共鳴が生じた金属膜からの反射光の強度を計測する強度計測手段と、
前記強度計測手段で計測された反射光の強度を基に、前記計測対象の表面の傾斜角度を算出する傾斜角度算出手段と、を備えることを特徴とする表面角度計測装置。
【請求項６】
前記傾斜角度算出手段は、
前記入射光の角度と前記金属膜からの反射光の強度とを関係づける表面プラズモン共鳴の特性曲線に基づいて、前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする請求項５に記載の表面角度計測装置。
【請求項７】
前記強度検出手段は、前記金属膜で反射した反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離すると共に、Ｐ偏光の強度とＳ偏光の強度を検出し、
前記傾斜角度算出手段は、検出されたＰ偏光の強度に応じた前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする請求項６に記載の表面角度計測装置。
【請求項８】
前記強度検出手段は、前記金属膜で反射した反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離すると共に、Ｐ偏光の強度とＳ偏光の強度を検出し、
前記傾斜角度算出手段は、検出されたＰ偏光の強度とＳ偏光の強度の比を反射率として算出し、算出された反射率に応じた前記計測対象の表面の傾斜角度を算出することを特徴とする請求項６に記載の表面角度計測装置。
【請求項９】
前記計測光照射手段は、照射した計測光の強度を監視する監視手段を有することを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の表面角度計測装置。
【図１】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−３７２６８（Ｐ２０１２−３７２６８Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７５３１３（Ｐ２０１０−１７５３１３）
【出願日】平成２２年８月４日（２０１０．８．４）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月４日（２０１０．８．４）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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