JPH07270132A - すきま測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】すきま３を構成する材質のうち、一方の材質が
光に対して透明で、もう一方が不透明であるようなすき
ま３で白色光を光干渉させ干渉スペクトルを計測すると
き、すきま３を構成する不透明な材質表面で白色光４が
反射するときに起こる光の位相遅れにより起こるスペク
トル分布の強度変化を不透明な物質の複素屈折率をもと
にして計算し、補正してすきまの大きさを計測する。 【効果】白色光干渉によるすきま測定の高精度化、特に
ヘッドスライダの浮上量を白色光干渉により測定する装
置において測定値の高精度化に有効である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学的に透明な材質と不
透明な物質にはさまれた微小なすきまの測定、特に、磁
気ディスク装置のヘッドスライダの浮上量測定に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図１は本発明が適用されるすきまとその
すきま量測定の基本的な構成である。白色光干渉による
光学的に透明な材質と不透明な物質にはさまれたすきま
量測定では測定対象となるすきまの大きさが光の波長程
度であるため、磁気ディスク装置のヘッドスライダの磁
気ディスクからの浮上すきま測定装置によく用いられて
いる。具体的にはガラスディスク上に浮上させた磁気ヘ
ッドスライダの浮上すきまで白色光を干渉させて干渉光
の波長別スペクトル強度分布を解析して浮上すきま量を
得るのが白色光干渉方式の浮上すきま測定装置である。
この磁気ヘッドスライダに光が当るとその反射光の位相
が遅れるため、日本機械学会論文集(Ｃ編)５８巻５４６
号（１９９２年）４４５頁から４４９頁に述べられてい
るように光干渉によって測定された浮上すきま量が実際
のスライダの浮上すきま量より数ナノメータ（以下ｎ
ｍ）から数十ｎｍも大きく評価される。またこの誤差量
は同一の材料でも光の波長によって大きく異なることが
多い。

【０００３】このスライダ材の反射光位相遅れによる誤
差を補正するのは、レーザ光や白色光からモノクロメー
タで一波長の光を選択して得られたような単色光を使用
したスライダ浮上すきま測定装置では簡単で、測定され
たすきま量から測定に使用した波長でのスライダ材の光
学定数から計算された反射光の位相遅れ量による誤差を
差し引いて補正すればよい。

【０００４】しかし、この反射光の位相遅れによるすき
ま測定の誤差量は光の波長変化に対して各材質固有の変
化をする。このため、干渉の結果得られたスペクトル強
度分布に白色光の波長域全部のスライダ材の反射光の位
相遅れ量が影響しており、白色光干渉方式の浮上すきま
測定装置では、波長域全部のスライダ材の複素屈折率を
使ってスペクトル分布の補正を行わねばならず補正が格
段に難しくなる。このため白色光干渉法で磁気ヘッドス
ライダを測定した場合に、スライダ材表面での反射光の
位相遅れ量による浮上量すきまの測定誤差を補正するに
は測定に使用する白色光の波長範囲での補正値の平均値
を測定値から差し引くか、特開平5− 52529 号公報で
述べられているように１μ程度の微小段差を付けたガラ
ス板に対向して磁気ヘッドスライダ材で作った板を固定
することでゼロから１μまですきま量が変化するくさび
型すきまを形成する標準すきま計という物を作り、その
すきま形状を単色光干渉法等で測定しておいてから、実
際のスライダの浮上量測定において白色光干渉スペクト
ル分布を相互比較してスライダでの光干渉スペクトルと
一致する干渉光スペクトルのすきま間隔をスライダの浮
上量すきまとして測定するしかなかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来技術
では、白色光干渉によるすきま測定において、白色光干
渉スペクトル分布への被測定物体表面での反射光位相遅
れの影響を厳密に取り除き、正確にすきま量を測定する
ことが難しい。前述のとおり反射光の位相遅れによる誤
差値が波長に依存して変化するためすきまの値ごとに補
正値が異なってくるので、白色光干渉に使用している波
長域の反射光の位相遅れによる補正値の平均をすきまの
測定値から差し引く方法ではすきま量によっては数ｎｍ
以上の誤差が出てしまう。また、前述の対象すきまと同
じ二つの物質で作った既知の形状のくさび型すきまを持
った標準すきま計の干渉スペクトル分布と比べて対象す
きま量を決定する方法では標準すきま計自体が温度によ
り変形することが避けられず、ｎｍレベルでの精度を保
つのは極めて難しい。また、対象物が代わる毎に上記の
ような高精度の標準すきま計を作ると測定コストが高く
なりすぎ、すきま計の製作とすきま形状の計測を待たね
ばならず測定に費やす時間も非常に長くなる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】以上のような問題を、本
発明ではエリプソメータ等によって対象すきまを構成す
る物質のうち光学的に不透明な物質の表面の反射光位相
遅れ量を計測し次のように解決する。

【０００７】すきまを構成する材質のうち、一方の材質
が光に対して透明で、もう一方が不透明であるようなす
きまで白色光を光干渉させて干渉光の波長別スペクトル
強度分布から前記すきま間隔を算出する装置において、
前記すきまを構成する不透明な材質表面で前記白色光が
反射するときに起こる光の位相遅れにより起こる前記ス
ペクトル分布の強度変化を前記不透明な物質の複素屈折
率をもとにして計算し、補正して前記すきまの大きさを
計測することにより前項の問題を解決する。

【０００８】すきまを構成する材質のうち、一方の材質
が光に対して透明で、もう一方が不透明であるようなす
きまで白色光を光干渉させて干渉光の波長別スペクトル
強度分布から前記すきま間隔を算出する装置において、
前記すきまを構成する不透明な材質表面で波長λの光が
反射するときの光の位相の遅れ量がφ（λ）、前記すき
まの任意の点で前記反射光位相遅れを修正しない干渉光
スペクトル分布から求めた仮のすきま量がｈであると
き、前記干渉光スペクトル分布の各波長λを数式λ′＝
ｈ・λ／（ｈ＋λφ（λ）／４π）、またはその変換な
いし近似式で表わされる波長λ′に変換して、光学的に
不透明な物質の反射光位相遅れの影響を白色光干渉スペ
クトルから取り除いてすきま量解析を行うことにより前
項の問題を解決する。

【０００９】すきまを構成する材質のうち、一方の材質
が光に対して透明で、もう一方が不透明であるようなす
きまで白色光を光干渉させて干渉光の波長別スペクトル
強度分布から前記すきま間隔を算出する装置において、
前記すきまを構成する不透明な材質表面で波長λの光が
反射するときの光の位相の遅れ量をφ（λ）、前記すき
まの任意の点で前記反射光位相遅れを修正しない干渉光
スペクトル分布から求めた仮のすきま量をｈ、無干渉の
ときの波長λでの分光強度をＩ（λ）とした場合に、上
記スペクトル強度分布から数式（Ｉ（λ）／２)｛（１
−cos(φ（λ)))cos（４πｈ／λ）＋sin（４πｈ／
λ）sin（φ（λ)）｝またはその変換ないし近似式から
決まる値を減算して、前記光学的に不透明な物質の反射
光位相遅れの影響を白色光干渉スペクトルから取り除い
てすきま量解析を行うことにより前項の問題を解決す
る。

【００１０】また、前記問題解決手段において、光学的
に不透明な物質の位相遅れの影響を取り除いた白色光干
渉の光波長スペクトル分布から算出されたすきま量ｈ₁
によって前記スペクトル分布の前記反射光位相遅れの影
響を再補正し、同様の干渉光スペクトル分布の再補正を
上記算出されたすきま量が一定範囲内に収束するまで行
うことを特徴とすることにより前項の問題を解決する。

【００１１】すきま量または白色光干渉スペクトルの分
布の状態に応じて請求項２及び３の方法を併用して、す
きまを構成する材質のうち、一方の材質が光に対して透
明で、もう一方が不透明であるようなすきまで白色光を
光干渉させ、前記すきまを構成する不透明な材質で前記
白色光が反射するときに起こる位相遅れによる前記スペ
クトル分布の強度変化を、前記不透明な物質の複素屈折
率をもとにしてすきま量または白色光干渉スペクトルの
分布の状態に応じて請求項２及び３の方法を使いわけ
て、前記すきまの大きさを計測することにより前項の問
題を解決する。

【００１２】

【作用】既に述べたように、光学的に不透明な物質特に
導電性のある物質や光を吸収する物質の表面で光が反射
する際には反射光の位相がガラスなどの透明体からの反
射に比べて遅れる(光学的測定ハンドブック、朝倉書店
(１９８１年)６頁参照)。この位相遅れ量φは複素屈折
率の実部をｎ、虚部をｋとするとφ＝arctan（２ｋ／
（ｎ²＋ｋ²−１））と表わされる。この位相遅れにより
すきま測定の値は数１で決まるδｈだけ大きく測定され
る。

【００１３】

【数１】 δｈ＝（λ／４π）arctan（２ｋ／（ｎ²＋ｋ²−１）） …（数１） 単色光を使用した光干渉ですきまを測定した場合は、測
定に使用した単色光の波長での複素屈折率を求めて誤差
δｈを差し引けばよい。

【００１４】しかし、光学定数ｎ，ｋは反射する光の波
長によって大きく変化するため、白色光干渉の干渉スペ
クトルの場合各波長成分を変化させる位相遅れ量が異な
る。例として、図２に例１と例２の二つの仮想の材質の
波長別の反射光位相遅れによるすきま量測定値の誤差分
布を示す。このような位相遅れによる誤差量が実際の白
色光干渉スペクトルにどのような影響を与えるかを図
３，図４で示す。白色光の波長幅は２５０ｎｍ〜８２５
ｎｍとし、白色の干渉光源の波長別の強度分布は規格化
されているとする。図３はすきま間隔が１００ｎｍ、図
４はすきま間隔が３０ｎｍの場合について、それぞれ反
射光位相遅れの無い干渉スペクトル強度分布と図２に示
した例１または例２の反射光位相遅れによる誤差がある
場合に変化した白色光干渉のスペクトル強度分布を示し
ている。図３のすきま量１００ｎｍのように干渉スペク
トル強度分布にピークが現れるすきま量では、強度分布
のピークの光波長上の位置からすきま量を決定するのが
簡単で精度の良い方法である。この場合、例１及び例２
の反射光位相遅れ量によって変化した白色光干渉スペク
トルのピーク位置はほぼ同じで解析結果のすきま測定値
はほぼ同じとなると予想できる。しかし、すきま間隔が
３０ｎｍと狭く、干渉光スペクトルにピークの表れない
図４の場合では、例１と例２の反射光位相遅れの影響を
受けた干渉光スペクトルはまったく違ったものになる。
ピークの表れない干渉光スペクトルを解析する場合、ス
ペクトル分布全体の強度や分布の傾き具合からすきま間
隔を算出するがそのいずれでも算出されるすきま量は大
きく異なってしまう。

【００１５】上記のような、スペクトル変化を補正する
には二つの方法が考えられる。一つは反射光位相遅れに
よって変化した白色光干渉スペクトルの強度を各波長ご
とに補正する方法である。波長λの光が反射するときの
位相の遅れ量がφ（λ）であるとき、すきま量をｈとし
たとき、白色光干渉で生じたスペクトル分布に関して、
無干渉のときの二つの反射面の反射率の差から来るバッ
クグランド成分をのぞいた任意の波長λでの分光強度を
Ｉ₀(λ）とすると、反射光の位相遅れの無い場合は同一
のすきま量ｈで反射光の位相遅れの無い場合の干渉スペ
クトルの分布Ｉ（λ，ｈ）とある場合の分布Ｉ（λ，
ｈ，φ）はバックグランド成分をＢ（λ）とすると次の
ようになる。

【００１６】

【数２】 Ｉ(λ，ｈ）＝（Ｉ₀(λ)／２)（１−cos(４πｈ／λ))＋Ｂ(λ） …（数２）

【００１７】

【数３】 Ｉ(λ，ｈ，φ)＝(Ｉ₀(λ)／２)(１−cos(４πｈ／λ＋φ(λ)))＋Ｂ(λ) …（数３） 上記の二つのスペクトル強度分布の差は次式となる。

【００１８】

【数４】 (Ｉ₀(λ)／２)｛(１−cos(φ(λ))）cos(４πｈ／λ) ＋sin（４πｈ／λ）sin（φ(λ))｝ …（数４） よって測定した白色光干渉強度分布から数４またはその
近似式で決まる値を差し引き、その後、バックグランド
成分を取り除きＩ₀(λ）で規格化してすきま量を求めれ
ばよい。

【００１９】第二の方法は干渉光スペクトル強度分布は
そのままで分光波長を変換する方法である。この場合、
波長分布の１対１変換により、すきま量が同じで反射光
位相遅れの無い波長分布に変換することになるので数２
と数３の間で次式が成り立つ。

【００２０】

【数５】 Ｉ（λ，ｈ）＝Ｉ（λ′，ｈ，φ） …（数５） 数５を解くことにより次式が得られる。

【００２１】

【数６】 λ′＝（λ・ｈ）／（ｈ＋（λφ(λ)／４π)） …（数６） 数６を使って測定した白色光干渉スペクトル強度分布の
波長を変換してやり、後は通常の反射光位相遅れの無い
と想定した解析手法を適用すればよい。

【００２２】なお、最初の方法は波長の範囲が変化しな
いので、図４のような干渉光スペクトル分布が反射光位
相遅れによって大きく変化しやすく、分布にピークが見
られずスペクトル分布全体が同じ重要さですきま量の算
出にかかわる場合に適切であり、第二の方法は簡便だが
変換後の分光分布の波長範囲も範囲幅も変化するので、
図４のような干渉縞ピークが現れている場合では、変換
後の波長範囲が極端に狭くなってしまう場合があり、図
３のようにはっきりと干渉光強度の波長分布にピークが
現れている場合が適している。

【００２３】

【実施例】本発明は透明な物質と不透明な物質にはさま
れた微小なすきまを白色光干渉で測定する全ての場合に
適用できる。図１は本発明の適用される実施例の基本的
な構成であり、この構成自体は公知技術の範囲内であ
る。光に対して透明な材質１と不透明な物質材質２の間
に存在するすきま３に光源４からの白色光を光学素子６
により平行にしてハーフミラー７により照射する。すき
まをはさむ材質１の内面と２の表面で反射した光はすき
ま量が光の波長程度の場合互いに干渉する。これをスリ
ット９ですきま３の任意の位置での干渉光を選びだしミ
ラー１０で分光測定機１１で白色光干渉の波長別スペク
トル強度分布を測定し、この強度分布を計算機１２で解
析し、すきま３の測定位置でのすきま量を算出する。こ
の時、例えば材質３の複素屈折率から数１によって決ま
る反射光位相遅れによるすきま測定の誤差が図５の例３
のような分布を持っているとする。すきま量が例えば10
0ｎｍであるとすると、図６に示すように図５の例３の
反射光位相遅れによる誤差のために図中に黒丸で示した
本来のすきま量１００ｎｍの干渉光の分光分布が長波長
側にずれて白丸で示した分布になり、どちらかというと
実線のみで示したすきま量１１０ｎｍでの干渉光スペク
トル分布に近くなる。このスペクトル分布では干渉光ピ
ークがはっきりと現れていて、スペクトル分布の相対強
度の変化も大きくピークの現れる波長からすきま量を判
定するのが効率的で正確である。このような分布を補正
するにはまず仮のすきま量を算出してから波長を数６で
変換して干渉光スペクトル分布を補正すれば、図６の１
００ｎｍすきまでの分光分布に近い分布を得られる。す
きま量判定の基準になる波長を直接変換する方法なの
で、波長の変換はピーク付近、またはピークの波長のみ
の変換でもよい。補正後の分光分布を解析すればほぼ１
００ｎｍのすきま量が得られる。より精度を上げたいと
きは補正後に得られたすきま量を使って数６により再び
補正前の分光分布を補正することを繰り返せばより精度
の高いすきま測定が出来る。

【００２４】また、すきま量が３０ｎｍの場合では、図
７に示すように図５の例３の反射光位相遅れによる誤差
のために図中に黒丸で示した本来の３０ｎｍの干渉光の
分光分布が長波長側にずれて白丸で示した分布になり、
どちらかというと実線のみで示した４０ｎｍでの干渉光
スペクトル分布に近くなる。このスペクトル分布では干
渉光ピークがまったく現れず分光強度分布の変化も比較
的小さいので、干渉光の強度変化の比や干渉光の強度自
体からすきま量を判定する。この場合、数６のような波
長変換では干渉光スペクトル分布がなだらかであるため
波長範囲が大きく変化してしまう場合がある。この点、
数４で干渉光スペクトルの強度自体を補正する方法は測
定光の波長範囲を変えること無く、すきま量判定の直接
の基準になる干渉光スペクトルの強度を変換するためよ
り高精度の補正を行うことができ、補正後の分光分布を
解析すればほぼ３０ｎｍのすきま量が得られる。より精
度を上げたいときは補正後に得られたすきま量を使って
数４により再び補正前の分光分布を補正することを繰り
返せばより精度の高いすきま測定が出来る。

【００２５】図８は本発明が適用できる白色光干渉によ
る磁気ヘッドスライダの浮上量測定装置の一例である。
磁気ヘッドスライダ１０１はスピンドルモータ１０２で
回転するガラスディスク１０３上に空気流の力で数十〜
数百ｎｍで浮上している。このスライダにガラスディス
クの反対側からＸｅランプのような白色光源１０４から
の白色光を光学素子１０５により平行光にしてミラー１
０６により照射する。ガラスディスクの内面で反射した
光とスライダ表面で反射した白色光１０７は干渉光１０
８となってミラー１０９により分光測定機１１０に導か
れ波長別の白色光干渉スペクトル分布強度を測定され
る。測定データは計算機１１１に送られ、スライダ１０
１の材質の波長別複素屈折率から数１によりスライダ表
面での反射光の位相遅れによるすきま測定の波長別誤差
が計算され、すきま量や波長別干渉光スペクトル強度分
布の様子によってスペクトル分布の波長変換式である数
６またはスペクトル分布の干渉光強度の補正式数４を使
用して分光測定機１１０で測定された干渉光スペクトル
分布強度を補正してスライダ１０１の浮上量を算出す
る。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、すきまを構成する材質
のうち、一方の材質が光に対して透明で、もう一方が不
透明であるようなすきまで白色光を光干渉させて干渉光
の波長別スペクトル強度分布から上記すきま間隔を算出
する装置において、上記すきまを構成する不透明な材質
表面で上記白色光が反射するときに起こる光の位相遅れ
により起る上記スペクトル分布の強度変化を上記不透明
な物質の複素屈折率をもとにして計算し、補正して上記
すきまの大きさを計測することができるため、白色光干
渉によるすきま測定の高精度化、特にヘッドスライダの
浮上量を白色光干渉により測定する装置において測定値
の高精度化に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の適用される実施例のブロック図。

【図２】反射光位相遅れによるすきま量測定誤差分布
図。

【図３】反射光位相遅れにより変化した分光分布の１０
０ｎｍすきまでの特性図。

【図４】反射光位相遅れにより変化した分光分布の３０
ｎｍすきまでの特性図。

【図５】図１の材質３の反射光位相遅れによるすきま測
定値の誤差例の特性図。

【図６】図５の例３の誤差による１００ｎｍすきまの干
渉光スペクトルの変化と補正の説明図。

【図７】図５の例３の誤差による３０ｎｍすきまの干渉
光スペクトルの変化と補正の説明図。

【図８】本発明を適用するのに好適な白色光干渉による
磁気ヘッドスライダの浮上量測定装置のブロック図。

【符号の説明】

１…光学的に透明な物質、２…光学的に不透明で光を吸
収する物質、３…材質１及び２のあいだのすきま、４…
白色光光源、５…光源４からの放射光、６…放射光５を
平行光にする光学素子、７…ハーフミラー、８…すきま
３での白色光の干渉光、９…孔開き遮光板、１０…ミラ
ー、１１…分光測定機、１２…計算機。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】すきまを構成する材質のうち、一方の材質
   が光に対して透明で、もう一方が不透明であるようなす
   きまで白色光を光干渉させて干渉光の波長別スペクトル
   強度分布から前記すきまの間隔を算出する装置におい
   て、前記すきまを構成する不透明な材質表面で前記白色
   光が反射するときに起こる光の位相遅れにより起こるス
   ペクトル分布の強度変化を前記不透明な物質の複素屈折
   率をもとにして計算し、補正して前記すきまの大きさを
   計測することを特徴とするすき間測定装置。