JP2838171B2 - 位相シフトマイクロフィゾー干渉計 - Google Patents
位相シフトマイクロフィゾー干渉計Info
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- JP2838171B2 JP2838171B2 JP3087577A JP8757791A JP2838171B2 JP 2838171 B2 JP2838171 B2 JP 2838171B2 JP 3087577 A JP3087577 A JP 3087577A JP 8757791 A JP8757791 A JP 8757791A JP 2838171 B2 JP2838171 B2 JP 2838171B2
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- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は位相シフトマイクロフィ
ゾー干渉計、特にレーザー光源を用いた干渉計の改良に
関する。
ゾー干渉計、特にレーザー光源を用いた干渉計の改良に
関する。
【0002】
【従来の技術】非接触で測定対象の表面微細形状の測定
を行なう場合等に、位相シフト干渉法を用いた干渉顕微
鏡が注目されている。この位相シフト干渉法では、光源
から出射された光の一部を参照ミラーにより反射させる
と共に、前記光源から出射された光の他の部分を試料に
反射させる。そして、前記参照ミラーからの反射光と前
記試料からの反射光を合成し干渉光を生起させ、そこ
で、干渉計に位相シフトを導入し、干渉縞を走査させ、
その時に干渉縞より試料の表面形状の情報を得るもので
ある。
を行なう場合等に、位相シフト干渉法を用いた干渉顕微
鏡が注目されている。この位相シフト干渉法では、光源
から出射された光の一部を参照ミラーにより反射させる
と共に、前記光源から出射された光の他の部分を試料に
反射させる。そして、前記参照ミラーからの反射光と前
記試料からの反射光を合成し干渉光を生起させ、そこ
で、干渉計に位相シフトを導入し、干渉縞を走査させ、
その時に干渉縞より試料の表面形状の情報を得るもので
ある。
【0003】ところで、この位相シフト干渉計において
は、一般に光源として白色光源、或いはヘリウム・ネオ
ンレーザーを用いており、位相シフト干渉法に必要な位
相差は、ピエゾ素子を用いて参照ミラーを動かすことで
得ていた。
は、一般に光源として白色光源、或いはヘリウム・ネオ
ンレーザーを用いており、位相シフト干渉法に必要な位
相差は、ピエゾ素子を用いて参照ミラーを動かすことで
得ていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このピエゾ
素子には非線形性や、不安定性、ヒステレシス特性等が
あり、しかも装置が高価であり、更に駆動に高電圧が要
求されるという課題があった。すなわち、ピエゾ素子等
により参照ミラーの厳密な移動制御を行なうことは困難
であり測定精度の向上が図りにくく、また駆動制御自体
に時間が係、高速測定には限界があった。このため、位
相シフト干渉法は理論的には極めて優れた表面微細形状
の測定法であるにもかかわらず、高精度、高速性等の特
徴を十分に発揮していないものであった。
素子には非線形性や、不安定性、ヒステレシス特性等が
あり、しかも装置が高価であり、更に駆動に高電圧が要
求されるという課題があった。すなわち、ピエゾ素子等
により参照ミラーの厳密な移動制御を行なうことは困難
であり測定精度の向上が図りにくく、また駆動制御自体
に時間が係、高速測定には限界があった。このため、位
相シフト干渉法は理論的には極めて優れた表面微細形状
の測定法であるにもかかわらず、高精度、高速性等の特
徴を十分に発揮していないものであった。
【0005】本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされ
たものであり、その目的は高精度で高速測定が可能な安
価な位相シフトマイクロフィゾー干渉計を提供すること
にある。
たものであり、その目的は高精度で高速測定が可能な安
価な位相シフトマイクロフィゾー干渉計を提供すること
にある。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明にかかる位相シフトマイクロフィゾー干渉計
は、前記光源として半導体レーザを用いると共に、該半
導体レーザへの注入電流を調整する注入電流調整手段を
設けたことを特徴とする。
に本発明にかかる位相シフトマイクロフィゾー干渉計
は、前記光源として半導体レーザを用いると共に、該半
導体レーザへの注入電流を調整する注入電流調整手段を
設けたことを特徴とする。
【0007】また、本発明にかかる位相シフトマイクロ
フィゾー干渉計は、半導体レーザの温度調整手段を設
け、長作動距離の対物レンズを備えることを特徴とす
る。なお、ここで対物レンズの作動距離とは、対物レン
ズの前端から試料までの距離を示す。
フィゾー干渉計は、半導体レーザの温度調整手段を設
け、長作動距離の対物レンズを備えることを特徴とす
る。なお、ここで対物レンズの作動距離とは、対物レン
ズの前端から試料までの距離を示す。
【0008】
【作用】本発明にかかる位相シフトマイクロフィゾー干
渉計は、光源として半導体レーザーを用い、その注入電
流を段階的に変えて干渉計に相対的な位相差を与え、干
渉縞を走査させ、位相シフト干渉法を用いて被検位相を
導出する。また、半導体レーザーの温度を一定に保つ温
度調整手段を設けることで、より高度の検出を行うこと
ができる。さらに、長作動距離の対物レンズを設け、光
路差を大きくすることで注入電流の変化を小さくし、レ
ーザー出力の変化を最小限にすることが可能となるの
で、注入電流の変化による影響を受けず精度の高い検出
結果が得られる。
渉計は、光源として半導体レーザーを用い、その注入電
流を段階的に変えて干渉計に相対的な位相差を与え、干
渉縞を走査させ、位相シフト干渉法を用いて被検位相を
導出する。また、半導体レーザーの温度を一定に保つ温
度調整手段を設けることで、より高度の検出を行うこと
ができる。さらに、長作動距離の対物レンズを設け、光
路差を大きくすることで注入電流の変化を小さくし、レ
ーザー出力の変化を最小限にすることが可能となるの
で、注入電流の変化による影響を受けず精度の高い検出
結果が得られる。
【0009】
【実施例】以下、図面に基づき本発明の好適な実施例を
説明する。図1には本発明の一実施例にかかる位相シフ
トマイクロフィゾー干渉計の基本構成が示されている。
説明する。図1には本発明の一実施例にかかる位相シフ
トマイクロフィゾー干渉計の基本構成が示されている。
【0010】同図に示す干渉計10は、赤色半導体レー
ザよりなる光源12と、ビームスプリッタ14と、参照
ミラー16と、試料保持手段18とよりなる。そして、
光源12から出射したレーザー光はコリメータレンズ2
0により平行光とされ、更にレンズ22,24,26を
介して前記ビームスプリッタ14に入射される。該ビー
ムスプリッタ14により図中下方に反射された光は対物
レンズ28により再度平行光とされ、更に1/4波長板
30で円偏光となる。そして、円偏光された光は参照ミ
ラー16を照射し、該参照ミラー16の表面で一部の光
が反射されると共に、参照ミラー16を透過した光は試
料保持手段18に保持された被検試料32の表面34で
反射される。
ザよりなる光源12と、ビームスプリッタ14と、参照
ミラー16と、試料保持手段18とよりなる。そして、
光源12から出射したレーザー光はコリメータレンズ2
0により平行光とされ、更にレンズ22,24,26を
介して前記ビームスプリッタ14に入射される。該ビー
ムスプリッタ14により図中下方に反射された光は対物
レンズ28により再度平行光とされ、更に1/4波長板
30で円偏光となる。そして、円偏光された光は参照ミ
ラー16を照射し、該参照ミラー16の表面で一部の光
が反射されると共に、参照ミラー16を透過した光は試
料保持手段18に保持された被検試料32の表面34で
反射される。
【0011】この結果、参照ミラー16の表面で反射さ
れた光と被検試料32の表面34で反射された光は、参
照ミラー16により再び重ね合わされて、干渉光を形成
する。そして、再度レンズ28、ビームスプリッタ14
を通過し、図中上方に導光される。この光は結像レンズ
36によりCCDカメラ38の受光面に結像される。カ
メラ38による観察結果はモニタ40により目視観察さ
れると共に、フレームメモリ42に記憶され、マイクロ
コンピュータ44により所望のデータ処理を施された
後、X−Yプロッター46に出力される。
れた光と被検試料32の表面34で反射された光は、参
照ミラー16により再び重ね合わされて、干渉光を形成
する。そして、再度レンズ28、ビームスプリッタ14
を通過し、図中上方に導光される。この光は結像レンズ
36によりCCDカメラ38の受光面に結像される。カ
メラ38による観察結果はモニタ40により目視観察さ
れると共に、フレームメモリ42に記憶され、マイクロ
コンピュータ44により所望のデータ処理を施された
後、X−Yプロッター46に出力される。
【0012】本発明において特徴的なことは、位相シフ
トマイクロフィゾー干渉計の光源として赤色半導体レー
ザーを用い、且つ半導体レーザーの温度を一定に保ち、
その注入電流を段階的に変えて干渉計に相対的な位相差
を与え、干渉縞を走査させ、位相シフト干渉法を用いて
被検位相を導出することである。このために本実施例に
おいては、マイクロコンピュータ44よりの注入電流制
御指令をインタフェース48を介して注入電流制御手段
50に与え、半導体レーザー12への注入電流を制御す
ると共に、温度制御手段52が半導体レーザー12の温
度を一定に保つ。
トマイクロフィゾー干渉計の光源として赤色半導体レー
ザーを用い、且つ半導体レーザーの温度を一定に保ち、
その注入電流を段階的に変えて干渉計に相対的な位相差
を与え、干渉縞を走査させ、位相シフト干渉法を用いて
被検位相を導出することである。このために本実施例に
おいては、マイクロコンピュータ44よりの注入電流制
御指令をインタフェース48を介して注入電流制御手段
50に与え、半導体レーザー12への注入電流を制御す
ると共に、温度制御手段52が半導体レーザー12の温
度を一定に保つ。
【0013】すなわち、図2に示すように半導体レーザ
は電流iがしきい値is以上注入されると、レーザ光の
発振を開始する。そして、更に注入電流iを増加してい
くと、その注入電流iの増加に比例して波長λが大きく
なっていく。そして、境界電流iaとなると、段差を有
して波長が大きくなり、また一定の線形領域が続く。本
発明は、半導体レーザのこの特徴的な性質を利用したも
のである。
は電流iがしきい値is以上注入されると、レーザ光の
発振を開始する。そして、更に注入電流iを増加してい
くと、その注入電流iの増加に比例して波長λが大きく
なっていく。そして、境界電流iaとなると、段差を有
して波長が大きくなり、また一定の線形領域が続く。本
発明は、半導体レーザのこの特徴的な性質を利用したも
のである。
【0014】そして、被検位相の導出は以下のように行
なわれる。被検試料表面34及び参照ミラー16の反射
率が低く、二次以上の繰返し反射の影響が無視できると
すれば、像面における干渉縞の強度分布は、次の数1で
表わすことができる。
なわれる。被検試料表面34及び参照ミラー16の反射
率が低く、二次以上の繰返し反射の影響が無視できると
すれば、像面における干渉縞の強度分布は、次の数1で
表わすことができる。
【0015】
【数1】I(x,y,λ)=a(x,y)+b(x,y)cos{φ(x,y)} ここで、φ(x,y)は2π・ω(x,y)/λであり、ω(x,y)
は被検面の高低分布である。従って、このω(x,y)を求
めることにより、被検試料の表面情報を得ることができ
る。また、a(x,y)及びb(x,y)はそれぞれ被検表面の特
定点については定数と考えることができる。そこで、何
らかの手法で干渉計に位相シフトΔφを導入すると、前
記数1を次の数2のように置き換えられる。
は被検面の高低分布である。従って、このω(x,y)を求
めることにより、被検試料の表面情報を得ることができ
る。また、a(x,y)及びb(x,y)はそれぞれ被検表面の特
定点については定数と考えることができる。そこで、何
らかの手法で干渉計に位相シフトΔφを導入すると、前
記数1を次の数2のように置き換えられる。
【0016】
【数2】 I(x,y,Δφ)=a(x,y)+b(x,y)cos{φ(x,y+Δφ)} そして、前記Δφを0,π/2,π,3π/2と変化さ
せ、それぞれの強度分布I1,I2,I3,I4を測定する
ことで、次の数3によりφ(x,y)を求めることがで
きる。
せ、それぞれの強度分布I1,I2,I3,I4を測定する
ことで、次の数3によりφ(x,y)を求めることがで
きる。
【0017】
【数3】 φ(x,y)=tan-1{(I4−I2)/(I1−I3)} このφ(x,y)から被検表面の情報を得るのである。とこ
ろで、従来このΔφの変化を、ピエゾ素子等を用いて参
照ミラー16を動かして得ていたが、本発明ではレーザ
の発振波長を偏移させることにより得ている。すなわ
ち、図1の干渉顕微鏡は、模式的に図3のように示され
る。そして、前記数1は波長λをパラメータとして次の
ように書き改めることができる。
ろで、従来このΔφの変化を、ピエゾ素子等を用いて参
照ミラー16を動かして得ていたが、本発明ではレーザ
の発振波長を偏移させることにより得ている。すなわ
ち、図1の干渉顕微鏡は、模式的に図3のように示され
る。そして、前記数1は波長λをパラメータとして次の
ように書き改めることができる。
【0018】
【数4】 I(x,y,λ)=a(x,y)+b(x,y)cos{(2π・2ω(x,y)+L)/λ0−Δφ} そして、前記Δφを変化させ、I1〜I4を得るのであ
る。尚、Lは参照ミラー16と被検試料32表面との光
路長差である。ここで、半導体レーザ12の注入電流を
変化させると、発振波長だけでなくレーザ出力も変化す
るため、レーザ強度をモニタし干渉縞の強度を正規化す
るか、或いは干渉計の光路差を大きくして必要な位相差
を得るのに必要な注入電流の変化を小さくし、レーザー
出力の変化を最小限にする。この結果、本発明のように
レーザ波長を偏移させた場合にも、前記数4の干渉縞の
強度分布のバイアスaと振幅bを一定とみなすことがで
きる。
る。尚、Lは参照ミラー16と被検試料32表面との光
路長差である。ここで、半導体レーザ12の注入電流を
変化させると、発振波長だけでなくレーザ出力も変化す
るため、レーザ強度をモニタし干渉縞の強度を正規化す
るか、或いは干渉計の光路差を大きくして必要な位相差
を得るのに必要な注入電流の変化を小さくし、レーザー
出力の変化を最小限にする。この結果、本発明のように
レーザ波長を偏移させた場合にも、前記数4の干渉縞の
強度分布のバイアスaと振幅bを一定とみなすことがで
きる。
【0019】一方、注入電流iを変化させ、発振波長を
λ1からλ2に変位させると、位相はそれぞれ次のように
表示できる。 λ1: φ1=2π・(L/2×2)/λ1=2πL/λ1 λ2: φ2=2π・(L/2×2)/λ2=2πL/λ2 従って、位相差Δφ=φ2−φ1=2πLΔλ/λ1 2とな
る。このため、Δφ=2πLΔλ/λ2と表わすことが
できる。すなわち、 Δφ=2πLΔλ/λ2=0 Δφ=2πLΔλ/λ2=π Δφ=2πLΔλ/λ2=3π/2 Δφ=2πLΔλ/λ2=2π となるΔλを、それぞれ注入電流iを変化させてI1、
I2、I3、I4を得れば良いのである。
λ1からλ2に変位させると、位相はそれぞれ次のように
表示できる。 λ1: φ1=2π・(L/2×2)/λ1=2πL/λ1 λ2: φ2=2π・(L/2×2)/λ2=2πL/λ2 従って、位相差Δφ=φ2−φ1=2πLΔλ/λ1 2とな
る。このため、Δφ=2πLΔλ/λ2と表わすことが
できる。すなわち、 Δφ=2πLΔλ/λ2=0 Δφ=2πLΔλ/λ2=π Δφ=2πLΔλ/λ2=3π/2 Δφ=2πLΔλ/λ2=2π となるΔλを、それぞれ注入電流iを変化させてI1、
I2、I3、I4を得れば良いのである。
【0020】ところで、波長の変化量Δλは注入電流の
変化Δiに比例するから、 Δλ=α・Δi すなわち2πLΔλ/λ2=2πLαΔi/λ2=2πの
場合を例にとると、 Δi=λ2/Lα となる。一般的な赤色レーザの場合、20℃では670
nmの基準波長に対しα=0.017nm/mA程度であるか
らL=24mmとすると、2πの変化に必要とする電流変
化は、 Δi(mA)=(670×10-3)2/(24×0.017)=1.100mA となる。
変化Δiに比例するから、 Δλ=α・Δi すなわち2πLΔλ/λ2=2πLαΔi/λ2=2πの
場合を例にとると、 Δi=λ2/Lα となる。一般的な赤色レーザの場合、20℃では670
nmの基準波長に対しα=0.017nm/mA程度であるか
らL=24mmとすると、2πの変化に必要とする電流変
化は、 Δi(mA)=(670×10-3)2/(24×0.017)=1.100mA となる。
【0021】従って、前記π/2,π,3π/2はそれ
ぞれ注入電流を0.275mA,0.550mA,0.82
5mAづつ変化させればよいことになる。半導体レーザの
線形領域は10mA程度あるので、この程度の電流変化を
行なうことは容易である。
ぞれ注入電流を0.275mA,0.550mA,0.82
5mAづつ変化させればよいことになる。半導体レーザの
線形領域は10mA程度あるので、この程度の電流変化を
行なうことは容易である。
【0022】図4には、本実施例にしたがって注入電流
iを時間と共に段階的に増加させた場合が示されてい
る。そして、図5に示すように、注入電流iの変化に伴
い干渉縞強度分布Iが変化し、各々の受光結果より被検
位相を導くことができることが理解される。
iを時間と共に段階的に増加させた場合が示されてい
る。そして、図5に示すように、注入電流iの変化に伴
い干渉縞強度分布Iが変化し、各々の受光結果より被検
位相を導くことができることが理解される。
【0023】以上説明したように、本実施例にかかるマ
イクロフィゾー干渉計によれば、ピエゾ素子等の機械的
可動部分がないため、システムが安定化される。また、
装置の小型化、低価格化を図ることができ、操作性に優
れている。更に本実施例では30mmという長作動距離の
対物レンズを用いているため、注入電流iの変化が少な
くてすみ、半導体レーザの出力の変化を小さくすること
ができる。
イクロフィゾー干渉計によれば、ピエゾ素子等の機械的
可動部分がないため、システムが安定化される。また、
装置の小型化、低価格化を図ることができ、操作性に優
れている。更に本実施例では30mmという長作動距離の
対物レンズを用いているため、注入電流iの変化が少な
くてすみ、半導体レーザの出力の変化を小さくすること
ができる。
【0024】尚、半導体レーザの発振波長λは温度にも
依存する。このため、注入電流iをパラメータとする場
合には、温度制御手段50により温度を一定に維持する
ことが好適である。また、半導体レーザの発振波長λ
を、半導体レーザの温度によって変化させることも可能
である。ちなみに、前記赤色半導体レーザの場合、注入
電流を49mAに設定したときの発振波長の温度による変
化率は、0.061nm/℃であった。
依存する。このため、注入電流iをパラメータとする場
合には、温度制御手段50により温度を一定に維持する
ことが好適である。また、半導体レーザの発振波長λ
を、半導体レーザの温度によって変化させることも可能
である。ちなみに、前記赤色半導体レーザの場合、注入
電流を49mAに設定したときの発振波長の温度による変
化率は、0.061nm/℃であった。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように本発明にかかる位相
シフトマイクロフィゾー干渉計によれば、光源として半
導体レーザーを用い、その注入電流を段階的に変えて干
渉計に相対的な位相差を与え、位相シフト干渉法を用い
て被検位相を導出することとしたので、測定を高速で、
しかも精度よく行うことができる。さらに、長作動距離
の対物レンズを設け、光路差を大きくすることで注入電
流の変化を小さくし、レーザー出力の変化を最小限にす
ることが可能となるので注入電流の変化による影響を受
けず精度の高い検出結果が得られる。
シフトマイクロフィゾー干渉計によれば、光源として半
導体レーザーを用い、その注入電流を段階的に変えて干
渉計に相対的な位相差を与え、位相シフト干渉法を用い
て被検位相を導出することとしたので、測定を高速で、
しかも精度よく行うことができる。さらに、長作動距離
の対物レンズを設け、光路差を大きくすることで注入電
流の変化を小さくし、レーザー出力の変化を最小限にす
ることが可能となるので注入電流の変化による影響を受
けず精度の高い検出結果が得られる。
【図1】本発明の一実施例にかかる位相シフトマイクロ
フィゾー干渉計の構成説明図である。
フィゾー干渉計の構成説明図である。
【図2】赤色半導体レーザの注入電流と波長の関係の説
明図である。
明図である。
【図3】図1に示した干渉計の模式化図である。
【図4】,
【図5】図1に示した干渉計において、注入電流と干渉
縞強度分布の変化の説明図である。
縞強度分布の変化の説明図である。
12 半導体レーザ 16 参照ミラー 18 試料保持手段 32 被検試料
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 行弘 東京都武蔵村山市大字岸808番48 (56)参考文献 特開 昭60−211301(JP,A) 特開 昭62−129707(JP,A) 特開 平3−238309(JP,A) 特開 昭61−155902(JP,A) 特開 昭64−35304(JP,A) 実開 昭56−65411(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01B 9/00 - 9/10 G01B 11/00 - 11/30
Claims (1)
- 【請求項1】光源から出射された光の一部を反射する参
照ミラーと、 前記光源から出射された光の他の部分を反射する試料を
保持する試料保持手段と、 前記参照ミラーからの反射光と前記試料からの反射光を
合成し干渉光を生起させる合成手段と、 前記光源として半導体レーザを用いると共に該半導体レ
ーザへの注入電流を調整する注入電流調整手段と、 該半導体レーザの温度を一定に保つ温度調整手段と、 長作動距離の対物レンズと、 を備えた位相シフトマイクロフィゾー干渉計において、前記半導体レーザの注入電流を波長変化量/注入電流の
線形領域において段階的に変えて、該半導体レーザの発
振波長を変移させ、位相変位を2π内で段階的に変位さ
せること を特徴とする位相シフトマイクロフィゾー干渉
計。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3087577A JP2838171B2 (ja) | 1991-03-27 | 1991-03-27 | 位相シフトマイクロフィゾー干渉計 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3087577A JP2838171B2 (ja) | 1991-03-27 | 1991-03-27 | 位相シフトマイクロフィゾー干渉計 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04297807A JPH04297807A (ja) | 1992-10-21 |
JP2838171B2 true JP2838171B2 (ja) | 1998-12-16 |
Family
ID=13918861
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3087577A Expired - Fee Related JP2838171B2 (ja) | 1991-03-27 | 1991-03-27 | 位相シフトマイクロフィゾー干渉計 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2838171B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5473434A (en) * | 1994-05-16 | 1995-12-05 | Zygo Corporation | Phase shifting interferometer and method for surface topography measurement |
KR100925783B1 (ko) * | 2007-09-07 | 2009-11-11 | 한국표준과학연구원 | 형상 측정장치 및 그 방법 |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5665411U (ja) * | 1979-10-23 | 1981-06-01 | ||
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- 1991-03-27 JP JP3087577A patent/JP2838171B2/ja not_active Expired - Fee Related
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