JPH0465601A - 光ヘテロダイン干渉測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は光ヘテロダイン干渉測定装置に係り、特に、そ
の測定分解能や応答速喰を可変とする技術に関するもの
である。

従来の技術とその課題 光周波数シックにより計測光および参照光の周波数を互
いに相違させるとともに、その計測光を測定対象に照射
した後参照光と干渉させて光センサに入射させることに
より計測ビート信号を取り出し、その計測ビート信号の
位相変化に基づいて前記測定対象の物理量、例えば表面
粗さや凹凸形状、移動速度、変位量、ガス濃度などを測
定する光へテロダイン干渉測定装置が知られている。か
かる測定装置の測定分解能や応答速度は、従来、計測光
と参照光との周波数差や波長２位相測定の時間分解能等
によって一定に定められ、測定対象の特質や測定目的等
に応じて変更することはできなかった。このため、必要
以上の分解能で測定が行われて測定時間が長くなったり
、測定時間は短いが充分な測定分解能を得られなかった
りするなどの不都合があった。

本発明はこのような事情を背景として為されたもので、
その目的とするところは、測定分解能や応答速度を変更
できるようにすることにある。

課題を解決するための手段 かかる目的を達成するために、本発明は、前述した光ヘ
テロダイン干渉測定装置において、前記計測光と参照光
との周波数差を変化させるように前記光周波数シックを
制御する周波数制御手段を設けたことを特徴とする。

作用および発明の効果 このような光ヘテロダイン干渉測定装置においては、計
測光と参照光との周波数差が周波数制御手段によって変
更され得るため、測定対象の特質や測定目的等に応じて
その周波数差を変更することにより、測定分解能や応答
速度を変えることができる。すなわち、上記周波数差は
計測ビート信号の基準ビート周波数（計測光の位相変化
がない場合の周波数）に相当し、測定分解能はその基準
ビート周波数に比例して低下するのに対し、応答速度は
基準ビート周波数に比例して速くなるのである。したが
って、計測光の波長などの他の条件が同じであれば、上
記周波数差を大きくすれば測定分解能は低くなるものの
応答速度は速くなり、周波数差を小さくすれば応答速度
は遅くなるものの測定分解能は高くなるのである。

実施例 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１回は、本発明が光ヘテロダイン干渉を利用した微細
形状測定装置に適用された一例を説明する光学的構成図
であり、Ｈｅ　−Ｎ　ｅレーザ等のレーザ光ａ１０から
出射された周波数がｆ。の直線偏光レーザ光りは、戻り
光がレーザ光源１０に入らないようにするアイソレータ
１２を通過したのちミラー１４によって上方へ反射され
、偏光ビームスプリッタＩ６に入射させられる。レーザ
光源１０の姿勢は、レーザ光りの偏波面（電気ヘクトル
の振動面）が紙面に対して４５°の角度で傾斜するよう
に設定されており、そのレーザ光りのうち偏波面が紙面
と平行なＰ偏光成分は計測ビームＬ、とじて上記偏光ビ
ームスプリッタ１６を通過させられ、偏波面が紙面と垂
直なＳ偏光成分は参照ビームＬ、ｌとして偏光ビームス
プリッタ１６により反射される。上記計測ビームＬ、４
は計測光に相当し、参照ビームＬ、は参照先に相当する
。

偏光ビームスプリンタ１６を透過した計測ビームトイは
、音響光学変調器１８により＋［ｌの周波数シフトを受
けて周波数がｆｏ＋ｆ、　とされた後、偏光ビームスプ
リッタ２０に入射させられる。

また、偏光ビームスプリッタ１６で反射された参照ビー
ムしいはミラー２２によって更に反射され、音響光学変
調器２４により十ｆ、の周波数シフトを受けて周波数が
ｆ０＋ｆ、とされた後、ミラー２６で反射されて偏光ビ
ームスプリンタ２０に入射させられる。上記音響光学変
調器１８．２４は周波数シフタに相当し、制御装置２８
（第２図参照）から出力される周波数制御信号ＳＦＩ、
ＳＦ２に従って周波数制御回路３０が制御されることに
より、それ等の音響光学変調器１８．２４によって与え
られる周波数シフトｆ、、ｆ！はそれぞれ変更される。

上記周波数制御回路３０は、例えば第３因に示されてい
るように構成される。周波数シンセサイザ３２．３４は
基準発振器３６から供給される基準周波数信号に基づい
て周波数逓倍信号を出力するとともに、その周波数逓倍
信号の周波数ｆｆ２はそれぞれ前記周波数制御信号ＳＦ
Ｉ、ＳＦ２に従って制御され、これがＲＦアンプ３８４
０を介し７て前記音響光学変調器１８．２４に供給され
ることにより、計測ビームＬ、４．参照ビームＬ７はそ
れぞれ上記周波数ｆ＋、ｆｚだけ周波数シフトされる。

前記偏光ビームスプリッタ２０により重ね合わされた計
測ビームＬ、４および参照ビームＬｌｌは、その後無偏
光ビームスプリッタ４２によって２分され、その無偏光
ビームスプリッタ４２により反射されたものは、偏光板
４４によって干渉光とされた後集光レンズ４６によって
参照用光センサ４８に照射される。この参照用光センサ
４８においては、計測ビームＬ。と参照ビームＬＲとの
干渉によるビートが検知され、それ等の周波数の差すな
わちｌ　　（ｆＯ＋ｊ、Ｉ　）　−（ｆｏ　十ｆｔ　）
　　ｌ　＝ｒ、−ｒ２１で表される基準ビート周波数ｆ
Ｂの基準ビート信号ＲＢＳが出力される。

上記無偏光ビームスプリッタ４２を透過した計測ビーム
Ｌ、および参照ビームＬｘは、偏光ビームスプリッタ５
０により再び偏波面の向きによって分離され、Ｓ偏光成
分から成る参照ビームＬＲは偏光ビームスプリッタ５０
により反射される。

偏光ビームスプリッタ５０で反射された参照ビームＬｌ
ｌは、１／４波長板５２を介してミラー５４に照射され
、そのミラー５４により反射されて再び１７４波長板５
２を透過させられることによりＰ偏光とされる。そして
、このＰ偏光とされた参照ビームＬＲは、上記偏光ビー
ムスプリッタ５０を透過させられ、偏光板５６を通過し
た後集光レンズ５８によって計測用光センサ６０に照射
される。

一方、Ｐ偏光成分から成る計測ビームＬ１は、上記偏光
ビームスプリッタ５０を通過させられ、無偏光ビームス
プリッタ６２および１／４波長板６４を経て対物レンズ
６６により被測定物６８の表面７０に集光される。被測
定物６８は、モータ等の駆動装置７２によって上記計測
ビームＬＭＯ光軸に対して直角なＸ−Ｙ平面内を二次元
方向へ移動させられる移動台７４に配置されており、被
測定物６８の移動に伴って計測ビームＬＨはその表面７
０の微小凹凸に対応するドツプラーシフトｆ。

を受ける。このため、その被測定物６８の表面７０で反
射された計測ビームＬｘの周波数はｆ０十ｆ＋　＋ｆゎ
となる。このドツプラーシフトｆ、は、表面７０の凹凸
による光路長変化に伴う単位時間当たりの計測ビームＬ
イの位相変化量に対応する。

上記被測定物６８の表面７０は本実施例の測定対象であ
り、その凹凸寸法が測定すべき物理量である。

また、対物レンズ６６はＺ軸上−タ７６により光軸方向
へ移動させられるようになっている。このＺ軸上−タ７
６は、前記制御装置２８から出力される焦点位置制御信
号ＤＤに従って駆動制御装置７８が制御されることによ
り、計測ビームＬＭの集光点が表面７０と一致するよう
に、換言すれば表面７０に対する計測ビームＬ。の照射
点が対物レンズ６６の焦点位置と一致するように、その
対物レンズ６６を移動させる。

表面７０で反射された計測ビームＬ、は、対物レンズ６
６を経て再び１ノ４波長板６４を通過させられることに
より、往路に対して偏波面が９０゜回転した直線偏光す
なわちＳ偏光とされ、無偏光ビームスプリンタ６２によ
り一部が反射される。

無偏光ビームスプリッタ６２で反射された計測ビームＬ
。は、集光レンズ８０および円柱レンズ８２を経て４分
割光センサ８４に照射される。円柱レンズ８２は計測ビ
ームしいに非点収差を与えるもので、４分割光センサ８
４は、表面７ｏに対する計測ビームＬＨの照射点が対物
レンズ６６の焦点位置と一致する時に計測ビームＬＭの
横断面形状が円形となる位置に配置され、焦点ずれに対
応する焦点ずれ信号ＳＡを前記制御装置２８に出力する
。

また、無偏光ビームスプリッタ６２を透過した残りの計
測ビームＬＭは、偏光ビームスプリッタ５０により反射
され、偏光板５６により前記参照ビームＬｌｌと干渉さ
せられた後、集光レンズ５８により計測用光センサ６０
に入射させられる。この計測用光センサ６０においては
、参照ビームしっと表面７０で反射された計測ビームＬ
ｓとの干渉によるビートが検知され、それ等の周波数の
差すなわちｌ　　（ｆｏ　＋　ｆ、＋　＋　ｆｏ　）　
　　（Ｌａ　＋　ｆｔ　）＝ｌｆａ十ｆｏｌで表される
計測ビート周波数ｆ、の計測ビート信号ＭＢＳが出力さ
れる。

そして、かかる計測ビート信号ＭＢＳおよび前記基準ビ
ート信号ＲＢＳは、図示しない波形整形回路によってそ
れぞれ矩形のパルス波形に整形された後、第４図に示さ
れている測定回路８６の偏差カウンタ８８に供給される
。この偏差カウンタ８８は、図示しないタイミング信号
発生回路から供給されるタイミング信号に従って計測ビ
ート信号ＭＢＳのビート数Ｃ１と基準ビート信号ＲＢＳ
のビート数０８との偏差Ｅ（−ＣＭ　Ｃｍ）を計数し、
その偏差Ｅはラッチ器９０に一時記憶された後、前記制
御装置２８に取り込まれる。

また、上記パルス波形に整形された基準ビート信号ＲＢ
Ｓおよび計測ビート信号ＭＢＳは、水晶振動子９２から
出力される一定のクロンク周波数ｆｃの基準パルス信号
ＫＳと共にＡＮＤ回路９４に供給される。基準ビート信
号ＲＢＳはＮＯＴ回路９６を経てＡＮＤ回路９４に供給
されるようになっており、ＡＮＤ回路９４を通過した基
準パルス信号ＫＳのパルス数ＣＩがカウンタ９８によっ
て計数される。このパルス数０１は、基準ビート信号Ｒ
ＢＳと計測ビート信号ＭＢＳとの１位相２π以下の位相
差に相当するもので、ラッチ器１００に一時記憶された
後、制御装置２８に取り込まれる。

制御装置２８はマイクロコンピュータを含んで構成され
ており、ＲＡＭの一時記憶機能を利用しつつＲＯＭに予
め記憶されたプログラムに従って信号処理を行うもので
、前記焦点ずれ信号ＳＡおよび偏差Ｅ、パルス数０１の
他に、第２図に示されているように切換えスイッチ１０
２から切換え信号ＳＳが供給されるようになっている。

この切換えスイッチ１０２は、要求される測定分解能に
応じて測定者により切換え操作されるもので、複数の分
解能から所望する一つが選択されるようになっている。

また、かかる制御装置２８は、第５図に示されているよ
うに機能的に３つのブロックを備えている。周波数制御
ブロック１０４は、前記切換え信号ＳＳに応じて測定分
解能を変更するためのもので、前記音響光学変調器１８
．２４による周波数シフトの周波数ｆ１とｆ２との差へ
ｆ、換言すれば基準ビート信号ＲＢＳの基準ビート周波
数ｆ。

が、予め定められた複数の値の中から切換え信号ＳＳが
表す分解能に対応する値となるように、周波数制御信号
ＳＦＩおよびＳＦ２を互いに関連付けて制御する。具体
的には、高分解能測定が選択された場合には周波数差Δ
ｆが小さくなり、低分解箭測定が選択された場合には周
波数差Δｆが大きくなるように、周波数制御信号ＳＦＩ
およびＳＦ２を出力するのである。この周波数制御ブロ
ック１０４は、前記周波数制御回路３０と共に周波数制
御手段を構成している。

測定ブロック１０６は、前記偏差Ｅおよびパルス数Ｃ１
に基づいて表面７０の凹凸寸法を算出する。すなわち、
表面７０の凹凸寸法をΔＺとすると、前記トンプラーシ
フトｆ、はドツプラーの公式から次式（］）で表される
一方、ドツプラーシフトｆ０は（ｒＭ　　ｒｓ）で表さ
れるところがら、上記偏差已に基づいて変位量Ｚ１が次
式（２）に従って算出される。かかる（２）式は計測ビ
ート信号ＭＢＳのビート周波数ｆ、の変化、すなわちト
ンプラーシフ）ｆｏに基づいて変位量Ｚ１を算出するも
のであるが、このビート周波数ｆ、４の変化は単位時間
当りにおける１位相２πをオーダーとする計測ビート信
号ＭＢＳの位相変化に対応するもので、変位量Ｚ、はλ
／２のオーダーで求められる。また、λ／２よりも小さ
い部分の変位量Ｚ２については、光ヘテロダイン干渉の
計算式より上記パルス数０１に基づいて次式（３）に従
って算出される。

なお、（１）式のＶ２は移動台７４の移動に伴う表面７
０の凹凸の上下方向、すなわち計測ビームトイの光軸方
向における変位速度で、（１）〜（３）式のλはそれぞ
れ計測ビームＬ、の波長である。

λ −Ｅ ・　・　・（２） そして、上記変位１ｚ−と２２とを加算することにより
、移動台７４の移動に伴う被測定Ｔｈ６８の表面７０の
変位量ΔＺが算出され、これが予め定められた一定時間
毎に繰り返されることにより表面７０の凹凸形状が測定
されて、表示信号ＳＤにより表示器１０８（第２図参照
）に表示される。

ここで、上記基準ビート周波数ｒ、すなわち周波数シフ
トｆＩとｆ２との周波数差Δｆは、前記周波数制御ブロ
ック１０４から出力される周波数制御信号ＳＦＩおよび
ＳＦ２に基づいて設定される。例えば、周波数制御信号
ＳＦＩに基づいて制御される音響光学変調器１８による
周波数シフトｒ、を８０ＭＨｚ、周波数制御信号ＳＦ２
に基づいて制御される音響光学変調器２４による周波数
シフトｆ２を８０．１ＭＨｚとすると、上記周波数差Δ
ｆ（”ｆｌ）は１００ｋＨｚとなり、（３）式のｆ、と
して１００ｋＨｚが設定されるのである。

また、前記クロック周波数ｆｅすなわち位相変化を測定
する際の測定周波数を１００ＭＨｚ、波長λを６３２．
８　ｎ　ｍとすると、表面７０の変位量ΔＺの測定分解
能は前記（３）式から０．３１６４ｎｍとなり、応答速
度Ｃは次式（４）から３１．６４ｍｍ／秒となる。

一方、前記切換えスイッチ１０２により低分解能測定が
選択され、例えば周波数制御信号ＳＦ１に基づいて制御
される音響光学変調器１８による周波数シフトｆ、は８
０ＭＨｚのままで、周波数制御信号ＳＦ２に基づいて制
御される音響光学変調器２４による周波数シフトｆ２が
８０．５ＭＨｚに変更されると、周波数差Δｔ　（＝ｒ
＊　）は５０ＯｋＨｚとなる。したがって、クロック周
波数ｆ。

および波長λか上記と同様にそれぞれ１００ＭＨｚ６３
２、８　ｎ　ｍとすると、表面７０の変位量Δ２の測定
分解能は１．５８２ｎｍとなり、応答速度Ｃは１５８．
２ｍｍ／秒となる。すなわち、低分解能測定の場合には
測定分解能は低下するものの、応答速度Ｃは速くなるの
で、表面７０の凹凸がゑ、峻な場合や駆動装置７２によ
り移動台７４を高速移動させた場合でも良好に測定を行
うことができるようになる。

なお、上記（３）式の基準ビート周波数ｆｉは、周波数
制御信号ＳＦＩ、ＳＦ２の替わりに切換え信号ＳＳに基
づいて設定されるようにしたり、基準ビート信号ＲＢＳ
を取り込んで求めるようにしたりＵ７ても差支えない。

第５図に戻って、焦点位置制御ブロック１１０は、焦点
ずれ信号ＳＡが零となるように焦点位置制御信号ＤＤを
出力して、Ｚ軸上−タ７６をフィードバック制御するも
ので、これにより、対物レンズ６６の焦点位置と被測定
物６８の表面７０とが常に一致させられ、計測ビームＬ
、は表面７０の凹凸に拘らずその表面７０上の１点に照
射されることとなる。

このように、本実施例の微細形状測定装置においては、
切換えスイッチ１０２が切り換えられることにより音響
光学変調器１８．２４による周波数シフトの周波数差Δ
ｆが変更され、これに伴って測定分解能や応答速度Ｃが
変更されるため、被測定物６８の表面７０の凹凸形状や
測定の目的等に応じて、所望する測定分解能や応答速度
Ｃを選択することができるのである。

また、本実施例では対物レンズ６６の焦点位置が常に表
面７０と一致するように制御されるため、表面７０の凹
凸に拘らず計測ビームＬＭの焦点ずれが回避され、球面
波の状態で表面７０に照射されることに起因する測定誤
差が防止される利点がある。

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実
施例において前記第１実施例と実質的に共通する部品に
は同一の符号を付して詳しい説明を省略する。

第６回の微細形状測定装置において、レーザ光源１０は
偏波面が紙面と平行なＰ偏光のレーザ光りを出射するよ
うに配設されており、そのレーザ光りは無偏光ビームス
プリッタ１１２により計測ビームトイと参照ビームＬ、
とに分割される。計測ビームＬ、は、無偏光ビームスプ
リッタ１１４により更に２分割され、その無偏光ビーム
スプリッタ１１４で反射されたものは無偏光ビームスプ
リッタ１１６および前記集光レンズ４６を経て参照用光
センサ４８に入射させられる。また、無偏光ビームスプ
リンタ１１４を透過した計測ビームＬ、は、偏光ビーム
スプリッタ１１８を透過して前記無偏光ビームスプリッ
タ６２等を経て表面７０に照射されるとともに、その表
面７０で反射された計測ビームＬＭは、無偏光ビームス
プリンタ６２により分割されて一部が前記４分割光セン
サ８４に入射させられ、残りは偏光ビームスプリッタ１
１８および１２０で反射されて計測用光センサ６０に入
射させられる。

一方、参照ビームＬＲは、音響光学変調器１８および２
４により十［、および−ｆ２の周波数シフトを受けた後
、無偏光ビームスプリッタ１２２により２分割され、一
部は無偏光ビームスプリッタ１１６により前記計測ビー
ムＬＭと合波させられて参照用光センサ４８に入射させ
られる。また、残りはミラー１２４で反射された後、偏
光ビームスプリッタ１２０により前記表面７０で反射さ
れた計測ビームＬ、と重ね合わされ、偏光板５６により
その計測ビームＬＭ　と干渉させられて計測用光センサ
６０に入射させられる。

このような測定装置においても、周波数制御回路３０に
より参照ビームＬ、の周波数シフ）ｆ−ｆ２の値が変更
されることにより、計測ビームＬｘの周波数ｆ。と参照
ビームＬ３の周波数ｆ０＋ｆｌ−ｆ２との周波数差Δｆ
　（＝ｆ、＝ｆ。

ｆ２）が変更され、前記実施例と同様な作用効果が得ら
れる。

また、第７図の実施例は、計測ビームＬ１．ｌの光軸方
向であるＺ軸方向へ移動させられるＺ軸移動テーブル１
２６の変位量や移動速度を測定するだめの装置で、第１
実施例に比較して、偏光板６４を透過した計測ビームＬ
ＨはそのままＺ軸移動テーブル１２６にＺ軸に対して直
角に設けられたミラー１２８に照射されるようになって
いる。この場合にも、測定対象は異なるものの測定原理
は前記第１実施例と同じであり、同様な作用効果が得ら
れる。

以上、本発明の幾つかの実施例を図面に基づいて詳細に
説明したが、本発明は更に他の態様で実施することもで
きる。

例えば、前記実施例では対物レンズ６６をＺ軸方向へ移
動させて焦点合わせを行うようになっているが、移動台
７４をＺ軸方向へ移動させて焦点合わ廿を行うようにす
ることもできる。また、非点収差法以外の方法で焦点ず
れを検知するようにし７ても差支えない。但し、本発明
を実施する上においてこのような焦点合わせは必ずしも
必要なことではない。

また、前記実施例では計測ビート信号ＭＢＳの位相変化
量から表面７０の変位量ΔＺを演算するようになってい
るが、その位相変化量が零となるように移動台７４をＺ
軸方向へ移動させて、その移動量を表面７０の凹凸寸法
として求めるようにしても良い。

また、前記実施例では基準ビート信号ＲＢＳが参照用光
センサ４８から出力されるようになっているが、周波数
シンセサイザ３２．３４の出力信号等から基準ビート信
号ＲＢＳを生成することもできる。

また、前記実施例では周波数制御回路３０により音響光
学変調器１８．２４の周波数シフトが共に変更され得る
ようになっているが、一対の音響光学変調器１８．２４
の何れか一方の周波数シフトが変更され得るようになっ
ておれば良い。

また、前記実施例では光周波数シフタとして一対の音響
光学変調器１８．２４が用いられているが、周波数変換
機能を有する他の光学素子等を採用することもできる。

また、前記実施例では計測ビームＬ＋４のみが表面７０
に照射されるようになっているが、参照ビームＬＲを表
面７０の比較的広い範囲、すなわち表面７０の微小な凹
凸形状によるドツプラーシフトの影響を受けない程度の
範囲に照射するようにして、凹凸形状によるドツプラー
シフトの影響を受ケる計測ビームＬ７との光ヘテロダイ
ン干渉により表面７０の凹凸形状を測定するように構成
することもできる。

その他−々例示はしないが、本発明は当業者の知識に基
づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である光ヘテロダイン干渉に
よる微細形状測定装置の光学的構成を説明する図である
。第２閃は第１図の装置に備えられている測定制御回路
を示すブロック図である。 第３圀は第１図の装置の周波数制御回路を説明するブロ
ック図である。第４図は第２図の測定回路を説明するブ
ロック図である。第５図は第２図の制御装置の機能ブロ
ック図である。第６図は本発明の他の実施例の光学的構
成を説明する図である。 第７図は本発明の更に別の実施例の光学的構成を説明す
る図である。 １８゜ ２４：音響光学変調器（光周波数シフタ）６０：計測用
光センサ　７０：表面 Ｌｏ　：計測ビーム（計測光） ＬＲ：参照ビーム（参照光） ＭＢＳ：計測ビート信号 （測定対象）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光周波数シフタにより計測光および参照光の周波数を互
   いに相違させるとともに、該計測光を測定対象に照射し
   た後該参照光と干渉させて光センサに入射させることに
   より計測ビート信号を取り出し、該計測ビート信号の位
   相変化に基づいて前記測定対象の物理量を測定する光ヘ
   テロダイン干渉測定装置において、 前記計測光と参照光との周波数差を変化させるように前
   記光周波数シフタを制御する周波数制御手段を設けたこ
   とを特徴とする光ヘテロダイン干渉測定装置。