JP2005331515A

JP2005331515A - 光学素子における表面下の損傷の非破壊評価

Info

Publication number: JP2005331515A
Application number: JP2005143503A
Authority: JP
Inventors: Tung Say Gip; ツン・セイ・ジプ; Reinhold Garbe; レインホールド・ガーベ; Quoc Nguyen; クオック・ウェイン
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2005-12-02
Also published as: NL1029044A1; US20050259248A1; US7330250B2; NL1029044C2

Abstract

【課題】光学素子の表面下の損傷を非破壊的に評価すること
【解決手段】光学素子の表面下の損傷を評価するための非破壊的なプロセスは、光学素子内の点に顕微鏡の焦点を合わせ、反射光の強度を測定する。一実施形態において、顕微鏡は、光学素子内の測定点にレーザビームを集束させ、光学素子の損傷からの反射光または散乱光も収集する。光学素子内の３次元アレイの点に対する反射強度を示すデータを分析することにより、表面下の損傷の位置と重大度が求められ得る。
【選択図】図５

Description

本願発明は、光学素子の表面下の損傷を非破壊的に評価することに関する。

光学素子は、亀裂、空隙または汚染物質の粒子など、表面下の損傷を含むことが多い。この表面下の損傷は、光学素子に使用される材料のタイプ又は品質に固有であるか、或いは鋸引き、研削および研磨などの製造プロセス中に生じる場合がある。原因に関係なく、表面下の損傷は光学素子の性能に影響を及ぼす可能性があるため、精密光学素子における表面下の損傷の量は、評価される必要があることが多い。特に、光学素子の光路内における表面下の損傷は、発熱または不良な品質の光信号につながる可能性がある光の吸収および散乱を生じる可能性がある。

光学素子の表面プロファイルを測定する非破壊的な技術は知られているが、一般に、表面下の損傷に関する十分な情報は提供されない。

光学素子における表面下の損傷を評価するための１つの技術は、使用される材料および製造プロセスの知識に基づいて、光学素子を数学的にモデル化することである。正確なモデルを使用すると、特定の設計に予想される損傷を求めることができる。しかしながら、モデルが材料または製造プロセスの不正確な特性記述に基づく場合、或いはモデルに予想されない作用により損傷が生じる場合には、こうしたモデルは不正確になる。更に、モデルが正確である場合でも、個々の光学素子における表面下の損傷の度合いは、一般に変動を受けやすく、特定の光学素子が、予想よりも多いか又は少ない表面下の損傷を有する可能性がある。

表面下の損傷の測定には、多くの破壊評価技術が使用可能である。例えば、テーパ研削プロセスは、光学素子構造のサンプルに切り込んで、評価試験のために表面下の損傷を露出させることができる。代案として、光学面における損傷は、酸エッチングを用いて拡大または露出させることができる。酸エッチングは一般に、亀裂に対してより大きい影響を及ぼし、それにより拡大または露出された亀裂または欠陥を検出するためにハイパワー顕微鏡を用いた表面検査が可能になる。これらの破壊技術は、光学設計に使用される材料または製造プロセスを正確にモデル化する必要性をなくす。しかしながら、このようにして評価される各々の光学素子は、一般に破壊されるか又は使用不能にされ、高価なシステム又は素子には非常に望ましくない。また、破壊評価試験は、ある設計の典型的な表面下の損傷のみを測定する。直接的に評価されない光学素子における変動（ばらつき）の問題は、使用可能な光学素子における表面下の損傷の量に関して不確実性を残す。更に、破壊評価試験の結果を得るには、一般に数日を要する。

例えば、ヘルツアコースティックエミッションインデンテーション（Hertzian Acoustic Emission Indentation：ＨＡＥＩ）及びラインフォーカス超音波顕微鏡（Line Focus Acoustic Microscope：ＬＦＡＭ）を結合する音響測定技術は、光学素子の表面状態および破壊靭性を検査することができる。しかしながら、こうした技術は、約１０μｍより大きい欠陥を検出することは難しく、かつ運用するためには多大な能力、訓練およびサポートを要する高価な機器も必要とする。

従って、光学素子の表面下の損傷を非破壊的に評価するための有効な技術が求められている。

本発明の一態様によれば、表面プロッティングに従来使用されているレーザ顕微鏡などの装置は、光学素子の表面下の損傷を非破壊的に評価することができる。本発明の一実施形態では、通常、光学素子の空気と表面との境界面から反射する光を使用して、表面の高さを探索する測定装置は、テストされている光学素子内に延在するある範囲の点に焦点を合わせるように動作する。光学素子内の焦点に関して測定された反射光の増加またはピークは、構成要素内の欠陥または損傷からの散乱あるいは反射を示す。欠陥が延在する領域、及び光の強度は、表面下の損傷の重大度を示す。散乱光の測定強度と表面下の欠陥の特性との間の変換係数、テーブル又は関数関係は、特定の測定装置および被測定材料に関して展開され得る。

本発明の特定の一実施形態は、光学素子の表面下の損傷を評価するためのプロセスである。このプロセスは、光学素子を照明するステップと、顕微鏡などの測定装置の焦点を光学デバイス内にある測定点に合わせるステップと、現在の点に焦点を合わせた際に測定装置により収集された散乱光の強度を測定するステップとを含む。測定点は変更されることができ（例えば、光学素子の表面にわたって走査することにより）、光学素子内からの散乱光の測定は、繰り返され得る。

光学素子の表面下の損傷を評価するためのプロセスに関する別の特定の実施形態は、光学素子内の目標の深さまでレーザ顕微鏡の焦点を走査するステップと、光学素子内へと焦点を走査すると同時に、収集された散乱光の強度を測定するステップと、光学素子における表面下の損傷の位置を散乱光の強度から求めるステップとを含む。

本発明によれば、市販されていて比較的安価なレーザ顕微鏡などの機器を使用して相対的に短い時間で、多くの場合数分間という短い時間で、光学素子の表面下の損傷を非破壊的に評価することが可能になる。

異なる図面において同じ参照符号を使用することにより、類似する要素または同じ要素を示す。

本発明の一実施形態によれば、光学面の走査に適したレーザ顕微鏡などの測定システムを用いて、光学素子の内部を走査する。光学素子の中へと走査する間に、光学素子内で反射または散乱された光の強度を測定し、測定された強度データの分析により光学素子の表面下の損傷が示される。

図１は、光学素子１９０の表面上のある点の高さを測定するための従来の構成におけるレーザ顕微鏡１００を概略的に示す。レーザ顕微鏡１００は、レーザ１１０と、顕微鏡１２０と、精密ステージ１３０と、センサ１４０とを含む。顕微鏡１２０は、レーザ１１０からのビームを焦点の１つに集束し、センサ１４０は、顕微鏡１２０が収集する反射光を測定する。本発明の特定の一実施形態では、レーザ顕微鏡１００は、横浜市のレーザーテック株式会社から市販されているＶＬ２００青色レーザ顕微鏡とすることができる。しかしながら、研磨されていない表面の約２〜３μｍ又はそれより大きい典型的な寸法を有する表面下の損傷（例えば、亀裂、空隙および汚染物質の粒子）を評価するには、より長い波長のレーザ（例えば、赤色レーザダイオード）を有するレーザが、表面下の損傷の検出に優れている場合がある。

レーザ顕微鏡１００の従来の動作は、光学素子１９０などのデバイスの表面上におけるある点の高さを側定することができる。表面の高さを測定するには、光学素子１９０上の点を顕微鏡１２０の下に配置し、ステージ１３０は、センサ１４０が測定する強度を最大限にする必要に応じて、光学素子１９０をｚ方向に移動させる（即ち、顕微鏡１２０と光学素子１９０との間の離隔距離を制御する）。最大強度は、図１Ａに示された構成に対応し、この場合、顕微鏡１２０の焦点は、光学素子１９０の表面にある。センサ１４０が最大強度を測定する場合のステージ１３０のｚ座標の設定値（並びにｘ及びｙの設定値）は、光学素子１９０の表面上における点の高さ（及び位置）を示すために読み取られ得る。次いで、ステージ１３０は、光学素子１９０上における一連の点の高さを測定するための焦点合わせ動作を繰り返しながら、光学素子１９０を水平方向（例えば、ｘ方向）に走査することができる。従って、従来使用されていたレーザ顕微鏡は、光学素子１９０の表面プロファイル又は表面粗さを測定することができる。

図２は、光学素子を走査して表面下の損傷または欠陥を検出するプロセス２００のフロー図を示す。プロセス２００は、別個のデバイスであるか、又は電子光学部品などのシステムの集積部分である光学素子を評価するために一般に使用され得る。例示的な一実施形態では、プロセス２００は、上述したタイプのレーザ顕微鏡を使用するが、光学素子内のある範囲の深さに関する反射光を測定することが可能な任意の他のタイプの測定装置を使用しても良い。例証の目的のために、以下は、表面下の損傷の評価において、図１、図３、図４及び図５のレーザ顕微鏡１００を使用する例について説明する。

プロセス２００は、表面下における測定のための測定装置（例えば、レーザ顕微鏡１００）を構成することによりステップ２１０から開始する。こうした構成には、レーザ源１１０の光学波長、水平走査線の数、各走査線の長さ、及び走査線間の離隔距離の選択が含まれ得る。従って、構成ステップ２１０は、走査される光学素子１９０の領域を選択することができる。

テストされる構成要素（例えば、光学素子１９０）は、ステップ２２０で測定装置に取り付けられる。特に、構成要素は、構成要素の制御された移動（例えば、顕微鏡１２０に対する）を可能にするテストテーブル又は精密ステージ上に配置され得る。従って、構成要素の移動により、測定点が選択され得る。代案として、測定装置の移動（例えば、顕微鏡１２０の移動）、又は操作ビームの移動により、測定位置が別様に制御され得る。

ステップ２３０は、好ましくは評価される構成要素の表面付近にある基準平面を確立または設定し、ステップ２４０は、この基準平面に対する垂直走査限界を設定する。走査限界は、上限が評価される構成要素の表面と少なくとも同じ高さであり、下限が、表面下の損傷を評価するための少なくとも所望の深さまで構成要素内へと延在するように選択されることが好ましい。

図３は、光学素子１９０の垂直走査の上限Ｚ１及び下限Ｚ２の位置を示す。光学素子１９０内への走査の所望の深さは、一般に、テストされる光学素子１９０のタイプに依存する。しかしながら、一例として、ＢＫ−７などの光学品質のガラスから作成された精密光学素子の場合、約１〜１００μｍの深さが一般的であり、この場合、評価される表面下の損傷は、研削、ダイヤモンド旋削、研磨などの機械加工、又は他の材料除去方法に起因する。

ステップ２５０は、顕微鏡１２０の焦点が上限Ｚ１と下限Ｚ２との間で移動するように、顕微鏡１２０に対して垂直に光学素子１９０を走査する。図３及び図４は、顕微鏡１２０の焦点が、それぞれ垂直走査の上限Ｚ１及び下限Ｚ２にある構成を示す。センサ１４０は、図３の構成から図４の構成に移動する間、顕微鏡１２０に戻るように反射された光の強度を測定し、顕微鏡１２０における焦点の一連の垂直位置に関する強度の測定値は、分析システム１５０内に記録され得る。強度の測定値は一般に、顕微鏡１２０の焦点が光学素子１９０の表面に接近するにつれて増加し、焦点がこの表面から離れるにつれて減少する。垂直走査範囲に沿って光学素子１９０に損傷が存在しない場合、強度測定値は１つのピークのみを有し、このピークは、光学素子１９０の表面にある顕微鏡１２０の焦点に対応する。

ステップ２６０は、システムの他の部分に対して光学素子１９０を水平に移動させ、測定点を変更する。判断ステップ２７０が、走査がまだ完了していないと判断する場合には、プロセス２００は、ステップ２７０からステップ２５０に戻るように分岐し、光学素子１９０内へと垂直に走査する。

図５は、ステップ２６０における水平移動により、顕微鏡１２０が光学素子１９０の欠陥１９２上に配置され、かつステップ２５０における垂直走査により、顕微鏡１２０の焦点が欠陥１９２に持って来られた時のレーザ顕微鏡１００の構成を示す。センサ１４０は、焦点が欠陥１９２に接近した時に、顕微鏡１２０が収集する反射光の増加として、及び／又は焦点が欠陥１９２を通過して移動する時の測定強度の低下として欠陥１９２を検出する。従って、図５に示された水平位置に対応する垂直走査は、焦点が光学素子１９０の表面にある時の第１ピークと、焦点が欠陥１９２にある時の第２ピークとを有する強度データを記録する。強度ピークの大きさは、光学素子１９０の材料のタイプ、欠陥１９２の重大度、及び欠陥１９２の深さによって決まる。同じ欠陥１９２は、垂直走査ステップ２５０を複数回繰り返すことにより発見されることができ、損傷を検出する垂直走査の数は、欠陥１９２の寸法または面積を示す。例えば、亀裂１９４は、光学素子１９０の相対的に大きい領域上に延在する可能性がある。

判断ステップ２７０が、走査が完了したと判断する場合、図２のプロセス２００は、ステップ２７０からステップ２８０に分岐し、記録された強度データを分析して、構成要素の走査領域内にある表面下の損傷を評価する。上述したように、この分析は、損傷を検出する垂直走査の位置を特定することにより、損傷の範囲または位置を特定することができ、様々な深さにおける測定強度から、損傷の重大度を求めることができる。

一実施形態では、分析データは、測定点の縦座標および横座標により索引付けされた強度測定値の３次元アレイを含む。スタンドアローンコンピュータ又は測定装置内に内蔵された処理システムで実行されるソフトウェア又はファームウェアで実施され得るデータ分析システム１５０は、データを処理して、表面下の損傷の表面プロファイルと範囲、重大度および位置を求めることができる。分析中、係数またはルックアップテーブルは、光学素子の材料が焦点の位置または顕微鏡により収集される反射光の強度に与える影響を補正するために適用され得る。特に、測定された欠陥の垂直サイズは、屈折率の異なる影響に起因して、補償を必要とする。実際の測定値に基づいて、製造プロセスで製造された各光学素子は、使用できるか又は欠陥品として識別されるか、或いは表面下の損傷の性質に応じて等級を付けられることができる。更に、評価試験は、市販されていて比較的安価なレーザ顕微鏡などの機器を使用して相対的に短い時間で、多くの場合数分間という短い時間で行われ得る。

本発明は、特定の実施形態に関して説明されたが、本説明は、本発明の用途の単なる一例であり、制限するものとして解釈されるべきではない。開示された実施形態の特徴の様々な改変および組合せは、特許請求の範囲により定義される本発明の範囲内にある。

表面下の損傷の測定に適するレーザ顕微鏡を示す図である。光学素子における表面下の損傷の非破壊測定に関する本発明の一実施形態によるプロセスのフロー図である。本発明の一実施形態による表面下の測定プロセスにおけるレーザ顕微鏡の構成を示す図である。本発明の一実施形態による表面下の測定プロセスにおけるレーザ顕微鏡の構成を示す図である。本発明の一実施形態による表面下の測定プロセスにおけるレーザ顕微鏡の構成を示す図である。

符号の説明

100 レーザ顕微鏡
110 レーザ
120 顕微鏡
130 精密ステージ
140 センサ
150 分析システム
190 光学素子
192 欠陥
194 亀裂

Claims

光学素子の表面下の損傷を評価するためのプロセスであって、
前記光学素子を照明するステップと、
光学デバイス内にある測定点に、測定装置の焦点を合わせるステップと、
現在の点に焦点を合わせた際に前記測定装置により収集された散乱光の強度を測定するステップと、
前記測定点を変更するステップと、及び
前記光学デバイス内にある一連の点の強度測定値を取得するために、前記測定するステップ及び前記変更するステップを繰り返すステップとを含む、プロセス。
前記光学素子を照明するステップが、表面下の欠陥の寸法特性に対応する波長を有する光でもって、前記光学素子を照明することを含む、請求項１に記載のプロセス。
前記測定装置が、前記光学素子を照明し、かつ前記光学素子内で散乱された光を収集するレーザ顕微鏡を含む、請求項１に記載のプロセス。
前記レーザ顕微鏡が、赤色光を発するレーザを含む、請求項１に記載のプロセス。
前記レーザ顕微鏡が、青色光を発するレーザを含む、請求項１に記載のプロセス。
前記測定点を変更するステップの繰り返しが、前記光学素子内の異なる深さにある一連の点に対して垂直に前記測定装置の焦点を移動させることを含む、請求項１に記載のプロセス。
前記測定点を変更するステップの繰り返しが、前記光学素子の表面に実質的に平行な方向に沿って、前記測定装置の焦点を移動させることを更に含む、請求項６に記載のプロセス。
前記強度測定値を分析して、前記光学素子における表面下の損傷の位置を求めることを更に含む、請求項１に記載の方法。
前記強度測定値を分析して、前記光学素子における表面下の損傷の重大度を評価することを更に含む、請求項１に記載の方法。
光学素子の表面下の損傷を評価するためのプロセスであって、
（ａ）前記光学素子内の目標の深さまでレーザ顕微鏡の焦点を走査するステップと、
（ｂ）前記光学素子への焦点を走査すると同時に、収集された散乱光の強度を測定するステップと、及び
（ｃ）前記光学素子における表面下の損傷の位置を、前記散乱光の強度から求めるステップとを含む、プロセス。
前記光学素子の表面に沿って、前記レーザ顕微鏡の焦点を走査するステップと、及び
前記光学素子の表面に沿って焦点を走査すると同時に、一連の点において前記ステップ（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）を繰り返すステップとを更に含む、請求項１０に記載のプロセス。