JPH0915213A

JPH0915213A - 光吸収計測装置用サンプルホルダー

Info

Publication number: JPH0915213A
Application number: JP7160311A
Authority: JP
Inventors: Kajiro Ushio; 嘉次郎潮
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-06-27
Filing date: 1995-06-27
Publication date: 1997-01-17

Abstract

(57)【要約】【目的】光吸収計測装置に用いるサンプルホルダーで
あって、簡便に固体サンプルとの音響的な接触条件を一
定に保つことが可能であり、その結果、計測の信頼性及
び効率を向上させることができる光吸収計測装置用サン
プルホルダーを提供すること。【構成】サンプル７に光６を照射したときの光吸収に
起因するサンプル７の体積変化により発生する音響信号
を計測することで、サンプル７の光吸収を計測する光吸
収計測装置に用いられるサンプルホルダー１であり、前
記サンプル７の弾性支持部材２を用いたサンプルの吸引
５保持機構を備えた光吸収計測装置用サンプルホルダー
１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光吸収計測装置用サン
プルホルダーに関する。

【０００２】

【従来の技術】様々な光応用技術の進展に伴い、光学計
測の要求は益々高度化している。特に近年の傾向とし
て、可視光に比べて波長が非常に長い、あるいは短い光
における物性評価に関心が集まっている。例えば、超短
波長の光では、各種エキシマレーザなどが微細加工やリ
ソグラフに用いられており、光学素子などの計測評価が
不可欠になりつつある。

【０００３】光学素子などで要求される評価項目のう
ち、重要な項目の一つは、光の吸収である。光の吸収計
測では一般に、光学的に直接測定する方法（光強度を光
センサで検出する方式）がとられているが、この方法に
は限界がある。即ち、光源光が短波長（２００ｎｍ以
下）の場合に、現状では安定した光源や光量測定法が確
立されておらず、特に微小な吸収量（微小な光量差）を
みるときに大きく安定性がおちる。

【０００４】また、エキシマレーザ等のパルスレーザを
用いると、その検出にあたって、光センサの応答速度が
遅いことに起因する問題点が生じることもある。さら
に、吸収量のみを光学的方法で分離測定することは困難
であり、必ず表面等での散乱量を含んだ値として検出さ
れる。そこで、従来の光学的方法によらない、微小な光
吸収量を測定する方法がいくつか提案、実行されてい
る。その多くは、光の吸収を無輻射遷移である熱として
計測する方法である。

【０００５】代表的な方法は、カロリメトリとして知ら
れている、サンプルの光吸収による温度上昇を熱電対な
どの温度計測手段で直接測定する方法である。また、温
度上昇によりサンプル或いはその近傍雰囲気に生じた変
形及び（変形の）緩和によって発生する音響信号を検出
し、それから光吸収量を逆算する光音響測定法と呼ばれ
る方法もある。

【０００６】更に最近では、吸収加熱により生ずるサン
プル或いはその近傍の屈折率分布や変位を光によって検
出（光ビームの偏向や光路差の検出など）する方法も盛
んに行われている。この中で、音響測定を行う光音響測
定法（以下、光音響法と略称する場合がある）は比較的
簡便に行なえ、測定感度も高いことから、液体、粉体、
薄膜材料などに広く試みられている。

【０００７】この方法では、サンプル或いはその近傍雰
囲気において、断続光の照射による加熱冷却で生じた体
積変化である音響をマイクロフォンや、サンプルまたは
サンプルホルダーにとりつけた圧電素子トランスデュー
サなどにより電気信号に変換して検出する。かかる電気
信号の強度または位相などの解析により、物質の無輻射
遷移に関するさまざまな情報を得ることができるが、音
響波の大きさは通常、熱エネルギー（即ち、光吸収量）
に比例するので（詳しい理論は、例えば論文J.Appl.Phy
s, vol.47,No1, pp64. J.Appl.Phys, vol.51,No6, pp33
43. Can.J.Phys,vol.64,pp147 など参照）、ここから光
の吸収量を算出できる。

【０００８】この方法によれば、微小な吸収であって
も、光強度の大きなものを用いることによって検出信号
量を大きくでき、感度のよい測定が可能になる。光音響
法は、物質の無輻射遷移過程の解析などの分析方法とし
て用いられるとともに、光吸収量の測定法として、その
感度や測定の簡便性の点から注目されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】光吸収量を光音響法で
測定する場合の大きな問題点の一つは、信号強度の音波
伝搬条件依存性である。音響波の強度は、吸収箇所から
の音波伝搬条件で変化するため、サンプルへの光照射条
件が同じでも、サンプル（及びその光照射部分である音
響発生源）と音響検知素子の距離や、途中の音響接合条
件により、異なってくる。そのため、別個のサンプル間
における信号強度を比較するときには、注意を要する。

【００１０】マイクロフォンによる遠隔測定では、比較
的サンプルからの音響伝搬についての再現性がとりやす
く、信号の規格化は容易である。また、液体サンプルや
気体サンプルでの測定では、それらを封入するセルと、
光源光、および音響検知素子のセッティングを一定に保
つことにより、信号強度の再現性をとることが可能であ
る。

【００１１】しかし、ガラス基板上に作成した薄膜サン
プルなどの固体サンプルの測定において、信号強度とし
て大きな接触タイプの音響検出を行なおうとすると、そ
の音響伝搬条件を一定に保つことは容易ではないという
問題点がある。ここで、特に重要なことは、固体サンプ
ルと、音響検知素子またはサンプルホルダーとの接触部
分の接触条件であり、サンプル交換の際に接触部分にお
ける音響の伝搬条件（即ち、接触条件）が異なると、信
号強度が変化するという問題点がある。

【００１２】例えば、固体サンプルとサンプルホルダー
（または音響検知素子）との直接的な押さえつけにより
両者の接触をとると、サンプルおよびホルダー（または
音響検知素子）はリジッドな固体であることが一般的で
あるため、その表面の凹凸（又は汚れ）により僅かな空
隙層ができる。そのため、音響的な接触条件を一定に保
つことは困難であり、信号強度が大きくずれて（ばらつ
いて）、計測の信頼性が低下するという問題点があるこ
とを我々は確認している。

【００１３】また、音響マッチング材としてよく用いら
れるグリース等により両者の接触をとった場合、押さえ
つけを注意深く行なわないと、このマッチング材層の厚
さやサンプルとの接触状態が変化して音響強度が大きく
ずれる（ばらつく）ことが多くなり、その結果、計測の
信頼性が低下するという問題点がある。グリース等を用
いた場合の問題点は他にもある。即ち、この場合、サン
プルセッティングの際に、グリース等がサンプルやホル
ダーに付着するので、サンプル交換の度に、サンプルや
ホルダーの洗浄及びマッチング材の塗布（補給）を行な
う必要があり、計測効率が低下するという問題点があ
る。

【００１４】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
ものであり、光吸収計測装置に用いるサンプルホルダー
であって、簡便に固体サンプルとの音響的な接触条件を
一定に保つことが可能であり、その結果、計測の信頼性
及び効率を向上させることができる光吸収計測装置用サ
ンプルホルダーを提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明は第一
に「サンプルに光を照射したときの光吸収に起因するサ
ンプルの体積変化により発生する音響信号を計測するこ
とで、サンプルの光吸収を計測する光吸収計測装置に用
いられるサンプルホルダーであり、前記サンプルの弾性
支持部材を用いたサンプルの吸引保持機構を備えた光吸
収計測装置用サンプルホルダー（請求項１）」を提供す
る。

【００１６】また、本発明は第二に「音響計測センサー
が音響整合をとられた状態にて設けられていることを特
徴とする請求項１記載の光吸収計測装置用サンプルホル
ダー（請求項２）」を提供する。また、本発明は第三に
「照射光の光路を遮らないように構成及び／または配置
されてなることを特徴とする請求項１または２記載の光
吸収計測装置用サンプルホルダー（請求項３）」を提供
する。

【００１７】また、本発明は第四に「前記サンプルホル
ダーを構成する部材であり、前記サンプルを透過した照
射光の光路上に位置する部材に、該照射光に対する吸
収、散乱に相当する損失が0.1 ％以下の材料を用いたこ
とを特徴とする請求項１または２記載の光吸収計測装置
用サンプルホルダー（請求項４）」を提供する。また、
本発明は第五に「前記部材には、前記照射光の反射を防
止する処理が施されてなることを特徴とする請求項４記
載の光吸収計測装置用サンプルホルダー（請求項５）」
を提供する。

【００１８】また、本発明は第六に「サンプル位置決め
機構を設けたことを特徴とする請求項１〜５記載の光吸
収計測装置用サンプルホルダー（請求項６）」を提供す
る。

【００１９】

【作用】本発明にかかる光吸収計測装置用サンプルホル
ダー及び光吸収計測装置について図面を引用して説明す
るが、本発明はかかる図面の例に限定されるものではな
い。図面に例示した光吸収計測装置においては、光源か
らの光が各種光学系により集光されて、サンプルに照射
されるシステムとなっている。照射にあたっては、適切
な光量調節部分で照射光強度（光量）を変化させ、また
その照射光強度を分岐光路においてモニタし、さらに照
射光強度と音響信号との相関から光吸収量を算出するシ
ステムである。

【００２０】図１の例では、測定サンプル７はガラス基
板上に形成した薄膜である。基板の材料と大きさはとも
に一定であり、また十分に平滑な基板面を有する。基板
が測定光を吸収する量は、測定すべき薄膜が測定光を吸
収する量に対して十分小さいことが好ましい。この例で
は、円形ペレット状のガラス基板としている。サンプル
基板７は、例えば図１に示すように、サンプルホルダー
１にセッティングされるにあたり、Ｏリング（弾性支持
部材の一例、例えばバイトン等のゴム製のＯリング）２
に支持された状態における吸引装置からの吸引５（弾性
支持部材を用いた吸引保持機構の一例）により保持され
る。

【００２１】吸引装置としては、例えば油回転式ポンプ
等の一般的な真空排気用ポンプを使用すればよい。サン
プル７を吸引保持する前に予め、弾性支持部材２のサン
プル７との接触面から、ごみや汚れ等を拭き取ってお
き、接触面を清浄面に保持することが好ましい。従っ
て、サンプル交換の作業は、接触面が汚れないように、
できるだけ粉塵のない清浄な雰囲気（クリーンルームな
ど）で行なうことが好ましい。

【００２２】Ｏリング等の弾性支持部材２の材料は、弾
性のある柔軟な材料であるため、サンプル７とホルダー
２の吸引圧着に際し、固体と固体の接触圧着において問
題となる空隙は発生しない。そのため、音響インピーダ
ンスの整合が良好になり、検出する信号強度が大きくな
るとともに、音響伝搬の条件の再現性も良くなるという
効果を有する。

【００２３】これに対して、一般的な押さえつけ方法で
ある、ねじやスプリングによるサンプルのホルダーへの
圧着の場合、押さえつけを一様かつ一定にすることが面
倒（ねじのトルクを調節するなど）であったり、押さえ
つけの圧力が変動したりする（スプリングの弱り）こと
が起こるなどの問題がある。しかるに、本願発明にかか
る、サンプル７の弾性支持部材２を用いた吸引保持機構
による押さえつけによれば、大気圧と、吸引した真空圧
の差圧で押さえつけ圧力が決まるので、ある程度以上の
真空度（例えば１０^-2ｔｏｒｒ程度）まで真空引きすれ
ば、簡単に押さえつけ条件を一定に保つことができる。

【００２４】従って、本発明の光吸収計測装置用サンプ
ルホルダーは、固体サンプルとの音響的な接触条件を一
定に保つことが可能であり、その結果、計測の信頼性を
向上させることができる。また、吸引のＯＮ，ＯＦＦ
は、弁の開閉などにより簡単に行なうことが可能であ
り、グリース等のマッチング材も不要であるから、マッ
チング材の補給や除去の手間もなく、迅速で簡便な計測
が可能となる。

【００２５】従って、本発明の光吸収計測装置用サンプ
ルホルダーを用いると、計測効率を向上させることがで
きる。本発明にかかる音響信号の検出は、例えば図１に
示すようなサンプルホルダー１に取り付けた圧電素子
（音響計測センサーの一例）３によって行なわれる。圧
電素子３は、接着剤４等によりホルダー１に強固に固定
されている。これにより、圧電素子３とホルダー１と
は、安定に音響整合がとられ、計測の信頼性が向上す
る。

【００２６】即ち、計測の信頼性向上のため、サンプル
ホルダーには、音響計測センサーが音響整合をとられた
状態にて設けられていることが好ましい（請求項２）。
光吸収計測装置による計測の際に留意すべきことの一つ
として、サンプルホルダーと照射光光路の関係がある。
例えば、図１に示すようなサンプルホルダー１と照射光
６光路の関係の場合を考えてみる。この場合には、サン
プル１を透過した後の照射光はサンプルホルダー１の裏
側に位置するサンプルホルダーの構成部材９に到達する
が、この部材９が当該照射光を吸収するような材料であ
ると、ここでも音響を発生するので、音響検出において
雑音として影響を及ぼす可能性がある。

【００２７】そこで、部材９を圧電素子３と音響的にで
きる限り切り離すことが好ましい。そのために、部材９
は、例えば弾性体等の音を伝えにくい材料で構成するこ
とが好ましい。或いは、サンプルホルダーは、照射光の
光路を遮らないように構成及び／または配置されている
ことが好ましい（請求項３）。例えば図２及び図４に示
すように、サンプル７、１６の一部のみを吸引保持する
ことで、サンプルホルダー１、２３が照射光の光路を遮
らないようにすることができる。

【００２８】或いは、サンプルホルダーを構成する部材
であり、前記サンプルを透過した照射光の光路上に位置
する部材に、該照射光に対する吸収、散乱に相当する損
失が0.1 ％以下の材料を用いれば、該部材や近接雰囲気
における音響発生を抑えることができるので好ましい
（請求項４）。また、前記部材により反射した照射光が
再びサンプルまたはホルダーに到達して、そこでの音響
が同様に検出信号に雑音となって影響を及ぼす可能性が
あるので、前記部材の照射光に対する反射率を小さくす
ることが好ましい。

【００２９】即ち、前記部材には、前記照射光の反射を
防止する処理が施されてなることが好ましい（請求項
５）。かかる処理としては、例えば部材に薄膜を積層し
て行う反射防止コートなどがある。以上のような構成を
とることにより、照射光によるサンプル以外からの音響
の影響は小さく抑えることができるので、計測の信頼性
がさらに向上する。

【００３０】なお、本発明のサンプルホルダーには、サ
ンプル位置決め機構を設けることが好ましい（請求項
６）。例えば図１に示すようなガイド（サンプル位置決
め機構の一例）８を設けてサンプル７の位置ぎめを行な
うと、サンプルを交換しても常に同じ位置にサンプルが
正確にセットされ、その結果、計測の信頼性がさらに向
上するので好ましい。

【００３１】以下、本発明を実施例により更に詳細に説
明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではな
い。

【００３２】

【実施例１】図３は本実施例のサンプルホルダー１５，
２３（図４参照）を用いた光吸収計測装置の概略構成図
であり、この装置を用いて光音響測定を行なった。光源
は、ＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３nm）１０であ
り、パルス幅が約２０nsecのものを用いている。パルス
照射（測定）光は、レンズ光学系１２により集光されて
サンプル１６に照射され、サンプル面での光径は約２mm
Φである。

【００３３】照射光の強度は、光学系１２に挿入したズ
ームレンズにより調節されており、また照射光強度は石
英ガラス１３の反射を用いた分岐光路において、光セン
サ（バイプラナ型フォトマルチプライヤ）１４によりモ
ニタされている。サンプル１６を透過した光は、戻りを
防ぐために、吸収体１８でブロックされる。なお、吸収
体１８は、弾性体等の音を伝えにくい材料で構成するこ
とが好ましい。

【００３４】照射光は、酸素中において発生するオゾン
により吸収されるので、光学系は窒素パージされたチャ
ンバー１１内に配置されている。サンプルホルダー２３
は、アルミ製であり、図４に示すような、Ｏリング３２
のガイド溝２６、２６’を２５ｍｍΦと１５ｍｍΦにて
二重に設けた円筒タイプである。また、ガイド溝２６、
２６’の間に、吸引用の穴２７が設けてある。

【００３５】バイトンＯリング３２をガイド溝２６、２
６’にそれぞれセットした後、サンプル１６をサンプル
ホルダー２３にセットして、ホルダー２３の吸引口から
油回転ポンプで吸引２４する機構になっている。サンプ
ル１６は、３０ｍｍΦで厚さ２ｍｍの円形ペレット状の
石英ガラス基板（測定波長光透過）上に薄膜を１μｍ以
下の厚さにて形成したものであり、サンプルホルダー２
３に設けたガイド（サンプル位置決め機構の一例）２８
により、サンプルホルダー２３の常に決まった位置にセ
ットされるようになっている。

【００３６】音響信号は、圧電材料であるＰＺＴ（ジル
コン酸チタン酸鉛）３１に、アルミナの受信板３０を付
けた構成のセンサー（音響計測センサーの一例）により
検出する。センサーは感熱接着材２９によりホルダー２
３に固定されており、センサーとホルダは、安定に音響
整合がとられている。このようにしてセットされたサン
プル１６に、ズームレンズ１２を駆動して光強度を変え
ながら光照射を行ない、光モニターセンサー１４の出力
（電圧）を計測する。

【００３７】信号は適切なフィルタリングをされて雑音
を除かれる。この例では、音響のメインの周波数が１０
０ｋＨＺ程度であり、この付近の波長を選択して（ＦＦ
Ｔ１９による）記録している。音響信号２２’及び光強
度信号２２は、ズームレンズ１２を制御しているコンピ
ュータ２０により、連動して計測される。

【００３８】計測（照射）波長における吸収が約５％の
薄膜を基板上に形成したサンプルを本実施例のサンプル
ホルダー２３にセットして、図３の計測装置を用いて計
測した結果を図５に示す。図５において、入射（照射）
光強度と信号強度は線形関係にあり、傾きが吸収係数を
表している。同一サンプルを付け換えて計測した結果、
計測値は同一の直線上にのり（３回目以降の計測でも同
様であり）、本実施例のサンプルホルダー２３を用いた
計測が再現性にすぐれていることが実証された。

【００３９】図６は、アルミ製のサンプルホルダーにシ
リコングリースを介してサンプルをセットした他は本実
施例と同様にして、同一サンプルの付け換えを行って計
測した結果を示す。この結果と比較すると、本実施例の
サンプルホルダー２３を用いた計測が再現性に極めてす
ぐれていることが判る。

【００４０】

【実施例２】図７は本実施例のサンプルホルダー２３’
の概略断面図である。このサンプルホルダー２３’を用
いて、実施例１と同様の計測を行なった。このホルダー
２３’では、Ｏリング３２一つで、サンプル１６を固定
しておりサンプル１６を透過した測定光は、吸引セル中
に進入した後、部材３４に入射する。

【００４１】この部材３４は、合成石英ガラスでできて
おり、照射光（１９３ｎｍ）に対する吸収率が0.1 ％／
ｃｍ以下、散乱率が0.2 ％／ｃｍ以下であり、厚さを約
３ｍｍとしているので、損失は0.1 ％以下である。さら
に、該部材３４の表面には１９３ｎｍ波長用の反射防止
コート３５がなされている。こうすることにより、サン
プルホルダー２３’にサンプルをセットしていないとき
の信号は、測定時（サンプルをセットしたとき）と比較
して0.1 ％以下に抑えることができた。また、測定結果
は実施例１と同様に、良好な再現性が得られた。

【００４２】以上の実施例では、例えば、単一波長のパ
ルスレーザを照射する測定系を一例として示している
が、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば連
続発振レーザを間欠的に照射する測定系においても適用
できるものである。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明の光吸収計
測装置用サンプルホルダーによれば、簡便に固体サンプ
ルとの音響的な接触条件を一定に保つことが可能であ
り、その結果、計測の信頼性及び効率を向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明のサンプルホルダーの一例を示す概
略断面図（上）及び概略正面図（下）である。

【図２】は、本発明のサンプルホルダーの別例であり、
照射光の光路上に部材を配置しない構成のサンプルホル
ダーの一例を示す概略断面図（上）及び概略正面図
（下）である。

【図３】は、実施例における計測に用いた光吸収計測装
置の概略構成図である。

【図４】は、実施例１のサンプルホルダーを示す概略断
面図（上）及び概略正面図（下）である。

【図５】は、実施例１のサンプルホルダーを用いて行っ
た光吸収計測の結果を示すデータ図である。

【図６】は、グリースを介してサンプルを保持する従来
のサンプルホルダーを用いて行った光吸収計測の結果を
示すデータ図である。

【図７】は、実施例２のサンプルホルダーを示す概略断
面図（上）及び概略正面図（下）である。

【符号の説明】

１・・筒状サンプルホルダー２・・Ｏリング（弾性支持部材の一例）３・・圧電素子（音響計測センサーの一例）４・・接着剤５・・真空ポンプによる吸引６・・計測光（照射光）７・・測定サンプル８・・サンプルガイド（サンプル位置決め機構の一例）９・・サンプルホルダー裏面部材１０・・ＡｒＦエキシマレーザ光源１１・・窒素パージチェンバー１２・・光量調節光学系（ズームレンズを含む）１３・・石英ガラス板１４・・光量モニタセンサ１５・・サンプルホルダー１６・・薄膜測定サンプル１７・・音響検出素子（音響計測センサーの一例）１８・・光ブロック吸収体１９・・アンプ、周波数選別装置（ＦＦＴ）２０・・パーソナルコンピュータ２１・・ズームレンズ制御を表す。２２・・光信号（または光信号の取込みを表す）２２’・・音響信号（または音響信号の取込みを表す）２３・・アルミ製サンプルホルダー２４・・油回転ポンプからの吸引２５・・ＡｒＦレーザ光２６・・外側Ｏリング溝２６’・・内側Ｏリング溝２７・・吸引口２８・・サンプルガイド（サンプル位置決め機構の一
例）２９・・感熱接着剤３０・・アルミナ受信板３１・・ＰＺＴ圧電素子（音響計測センサーの一例）３２・・バイトンＯリング（弾性支持部材の一例）３３・・Ｏリング溝３４・・石英ガラス３５・・反射防止コート以上

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】サンプルに光を照射したときの光吸収に
起因するサンプルの体積変化により発生する音響信号を
計測することで、サンプルの光吸収を計測する光吸収計
測装置に用いられるサンプルホルダーであり、前記サン
プルの弾性支持部材を用いたサンプルの吸引保持機構を
備えた光吸収計測装置用サンプルホルダー。
【請求項２】音響計測センサーが音響整合をとられた
状態にて設けられていることを特徴とする請求項１記載
の光吸収計測装置用サンプルホルダー。
【請求項３】照射光の光路を遮らないように構成及び
／または配置されてなることを特徴とする請求項１また
は２記載の光吸収計測装置用サンプルホルダー。
【請求項４】前記サンプルホルダーを構成する部材で
あり、前記サンプルを透過した照射光の光路上に位置す
る部材に、該照射光に対する吸収、散乱に相当する損失
が0.1 ％以下の材料を用いたことを特徴とする請求項１
または２記載の光吸収計測装置用サンプルホルダー。
【請求項５】前記部材には、前記照射光の反射を防止
する処理が施されてなることを特徴とする請求項４記載
の光吸収計測装置用サンプルホルダー。
【請求項６】サンプル位置決め機構を設けたことを特
徴とする請求項１〜５記載の光吸収計測装置用サンプル
ホルダー。