表面形状の測定方法及び測定装置
【課題】位相変調された干渉信号を検出し、干渉信号の位相を求める信号処理演算を行うことによってナノメータオーダでの分解能で表面形状測定を行うことのできる、表面形状の測定方法及び測定装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザ光源11からのレーザ光を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換してから回転多面体ミラー32に導き、レンズ33を通過した合成光を構成する２つの光を偏光ビームスプリッタ34により分離してその一方の光を参照面ミラー42、他方の光を被測定物体41の表面に照射する。参照面ミラー42からの反射光と被測定物体41の表面からの反射光を偏光ビームスプリッタ34により再び重ね合わせ、偏光板52を通過させることにより参照面ミラー42からの反射光と被測定物体41の表面からの反射光を干渉させる。
【解決手段】半導体レーザ光源11からのレーザ光を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換してから回転多面体ミラー32に導き、レンズ33を通過した合成光を構成する２つの光を偏光ビームスプリッタ34により分離してその一方の光を参照面ミラー42、他方の光を被測定物体41の表面に照射する。参照面ミラー42からの反射光と被測定物体41の表面からの反射光を偏光ビームスプリッタ34により再び重ね合わせ、偏光板52を通過させることにより参照面ミラー42からの反射光と被測定物体41の表面からの反射光を干渉させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面形状の測定方法及び測定装置に関し、特にレーザ走査干渉を用いた表面形状の測定方法及び測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ走査干渉計として、特許文献１に記載のものが知られている。このレーザ走査干渉計は、レーザ光源からのレーザ光を平行光束としてビームスプリッタを介して走査ミラーに導き、該走査ミラーで前記レーザ光を走査光に変換してテレセントリックレンズに入射させ、該テレセントリックレンズの焦点面近傍に近接配置した参照面及び被観察面からの反射光を前記テレセントリックレンズにより平行光束に変換し、前記走査ミラーで反射させた後に前記ビームスプリッタでレーザ光源からのレーザ光と分離し、結像レンズによって集光して前記テレセントリックレンズの焦点面と共役の位置に設置したスリットを通過させ、該スリットを通過した前記反射光の光量を受光素子で計測し、計測した光量信号をＡ／Ｄ変換して前記走査ミラーの角度に対応した時系列データとして演算手段に取り込んで配置することにより干渉波形を取得する。そして、レーザ光による走査光で参照面と被観察面とを走査することから、走査するレーザ光の光点サイズでの分解能、例えば２万×１．６万ドットの約３億画素程度の分解能が得られる。したがって、受光部の分解能にとらわれずに高精細、高コントラストの干渉波形を得ることができる。これにより、横分解能を高めることができるので、高低差の急激な部分も、高低差が緩やかな部分も干渉波形として確実に検出することができる。さらに、参照面と被観察面とからの反射光を、テレセントリックレンズの焦点面と共役の位置に設置したスリットを通過させることにより、余分な反射光をカットしてピントの合った光だけが受光素子に受光されることから、横分解能の向上、高精細化、高コントラスト化を促進することができる、というものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−３０９６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のレーザ走査干渉計は、共焦点レーザ走査形状測定器の高い空間分解能を保持しているため、従来の干渉計では観測できなかった微細な構造を有する干渉縞パターンが観測されており、被測定物体の表面の大まかな形状をレーザ波長の半波長程度の分解能で推定することはできる。しかし、この１枚の干渉縞パターンから定量的な表面形状を計算し、ナノメータオーダでの分解能で表面形状測定を行うことは困難である。なお、特許文献１には、位相変調された干渉縞パターン或いは干渉信号を得るために、参照面をレーザ波長以下の量だけ光軸方向に移動させ、複数の位相変調された干渉縞パターンを取得することが望ましいと記載されているが、複数の位相変調された干渉縞パターンから表面形状を計算する方法についての開示はなされてない。
【０００５】
そこで、本発明は、位相変調された干渉信号を検出し、干渉信号の位相を求める信号処理演算を行うことによってナノメータオーダでの分解能で表面形状測定を行うことのできる、表面形状の測定方法及び測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の表面形状の測定方法は、レーザ光源からのレーザ光を平行光束としてビームスプリッタを介して走査ミラーに導き、該走査ミラーで前記レーザ光を走査光に変換してテレセントリックレンズに入射させ、該テレセントリックレンズの焦点面近傍に配置した参照平面及び被測定物体の表面からの反射光を前記テレセントリックレンズにより平行光束に変換し、前記走査ミラーで反射させた後に前記ビームスプリッタで前記レーザ光源からのレーザ光と分離し、結像レンズによって集光して前記テレセントリックレンズの焦点面と共役の位置に設置したピンホールを通過させ、該ピンホールを通過した光の光量を受光素子で計測する表面形状の測定方法であって、前記レーザ光源からのレーザ光を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換してから前記走査ミラーに導き、前記テレセントリックレンズを通過した前記合成光を構成する２つの光を偏光ビームスプリッタにより分離してその一方の光を前記参照平面、他方の光を前記被測定物体の表面に照射し、前記参照平面からの反射光と前記被測定物体の表面からの反射光を前記偏光ビームスプリッタにより再び重ね合わせ、偏光板を通過させることにより前記参照平面からの反射光と前記被測定物体の表面からの反射光を干渉させることを特徴とする。
【０００７】
また、電気光学位相変調器を用いて、前記レーザ光源からのレーザ光を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換することを特徴とする。
【０００８】
また、前記偏光板を通過させることにより前記参照平面からの反射光と前記被測定物体の表面からの反射光を干渉させることにより生じる干渉信号Ｓ（ｔ）は、
【０００９】
【数１】
【００１０】
（ここで、Ｚとθは前記電気光学位相変調器への印加電圧である角周波数ωｃの正弦波信号の振幅及び初期位相で決まる定数、Ｌ（ｔ）は前記参照平面と前記被測定物体からの反射光の伝搬距離の差、ｔは時間）で表わされ、この干渉信号Ｓ（ｔ）を受光素子で検出して位相α（ｔ）を求めることを特徴とする。
【００１１】
また、音響光学周波数変調器を用いて、前記レーザ光源からのレーザ光を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換することを特徴とする。
【００１２】
また、前記偏光板を通過させることにより前記参照平面からの反射光と前記被測定物体の表面からの反射光を干渉させることにより生じる干渉信号Ｓ（ｔ）は、
【００１３】
【数２】
【００１４】
（ここで、前記音響光学周波数変調器への印加電圧は角周波数ωｃの正弦波信号、Ｌ（ｔ）は前記参照平面と前記被測定物体からの反射光の伝搬距離の差、ｔは時間）で表わされ、この干渉信号Ｓ（ｔ）を受光素子で検出して位相α（ｔ）を求めることを特徴とする。
【００１５】
本発明の表面形状の測定装置は、レーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光を平行光束とするコリメータレンズと、この平行光束を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換する位相変調直交偏光発生装置と、この合成光を走査光に変換する走査ミラーと、この走査光を集光するテレセントリックレンズと、このテレセントリックレンズを通過した前記合成光を構成する２つの光を分離してその一方の光を参照平面、他方の光を被測定物体の表面に照射するとともに前記参照平面からの反射光と前記被測定物体の表面からの反射光を再び重ね合わせる偏光ビームスプリッタと、前記テレセントリックレンズを通過して前記走査ミラーで反射された前記２つの反射光を前記位相変調直交偏光発生装置からの合成光と分離するビームスプリッタと、前記２つの反射光を集光する結像レンズと、前記２つの反射光を干渉させる偏光板と、前記テレセントリックレンズの焦点面と共役の位置に設置されたピンホールと、このピンホールを通過した光の光量を計測する受光素子とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、前記位相変調直交偏光発生装置は、電気光学位相変調器を備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、前記位相変調直交偏光発生装置は、音響光学周波数変調器を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の表面形状の測定方法及び測定装置によれば、位相変調された干渉信号を検出することができ、干渉信号の位相を求める信号処理演算を行うことによってナノメータオーダでの分解能で表面形状測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１の表面形状の測定装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】実施例１の表面形状の測定装置の位相変調直交偏光発生装置の構成を示す概略図である。
【図３】実施例２の表面形状の測定装置の位相変調直交偏光発生装置の構成を示す概略図である。
【図４】実施例３の平面ミラーを走査することにより検出された干渉信号の全体を示すグラフである。
【図５】実施例３の図４の干渉信号の一部の時間方向に拡大したグラフである。
【図６】実施例３の図４の干渉信号から得られた位相分布を示すグラフである。
【図７】実施例３の研磨された金属表面に対する位相分布の測定結果を示すグラフである。
【図８】実施例３の図７の位相分布の一部を拡大したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の表面形状の測定方法及び測定装置の実施例について、添付した図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２１】
本実施例の表面形状の測定装置を示す図１において、11はレーザ光源としての半導体レーザ光源であり、この半導体レーザ光源11から出力されたレーザ光は、コリメータレンズとしてのレンズ12を通過して、位相変調直交偏光発生装置20に入射するようになっている。本実施例では、位相変調直交偏光発生装置20は正弦波位相変調法を用いた構成になっており、図２に示すように、電気光学位相変調器21にレーザ光が入射するようになっている。
【００２２】
電気光学位相変調器21により変調された光は、レンズ22とレンズ23を通過し、ビームスプリッタ31を通過して、図示しないモータによって回転する走査ミラーとしての回転多面体ミラー32で反射されるようになっている。回転多面体ミラー32で反射された光は、テレセントリックレンズからなるレンズ33を通過して、偏光ビームスプリッタ34によって被測定物体41へ入射する光と参照面ミラー42に入射する光に分けられるようになっている。回転多面体ミラー32での反射位置中心とレンズ33の距離は、レンズ33の焦点距離ｆとなっている。また、参照面ミラー表面42はレンズ33の焦点面内にあり、被測定物体41表面はレンズ33の焦点面を含み、いずれの表面も集光されたビームのビームウエスト内に含まれるようになっている。
【００２３】
被測定物体41表面及び参照面としての参照面ミラー42表面から反射された光は、偏光ビームスプリッタ34で再び重ね合わされ、もとの経路を通ってビームスプリッタ31で反射され、結像レンズとしてのレンズ51、偏光板52を通過し、レンズ33の焦点面と共役の位置に設置されたピンホール53を通過し、受光素子としての光電子倍増管61で受光されるようになっている。そして、光電子倍増管61で検出された干渉信号は、Ａ／Ｄ変換ボードを備えた信号処理回路装置62によってパーソナルコンピュータからなる演算処理装置63に取り込まれるようになっている。
【００２４】
つぎに、本実施例の表面形状の測定装置の動作について説明する。
【００２５】
半導体レーザ光源11から出力されたレーザ光は、レンズ12により平行光となり、位相変調直交偏光発生装置20の電気光学位相変調器21に入射する。このとき、電気光学位相変調器21の複屈折性結晶の直交する複屈折軸に対して、平行光の直線偏光方向は４５度の角度をなす。電気光学位相変調器21への印加電圧は、角周波数ωｃの正弦波信号である。
【００２６】
電気光学位相変調器21からの平行光は、レンズ22とレンズ23で必要な大きさに拡大され、ビームスプリッタ31を通過して、回転多面体ミラー32で反射される。回転多面体ミラー32で反射された反射光は、レンズ33で収束光に変換され、偏光ビームスプリッタ34によって被測定物体41へ入射する光と参照面ミラー42に入射する光に分けられる。それぞれの光は電気光学位相変調器21による位相変調を受けており、偏光方向が互いに直交しており、２つの光の位相はＺｃｏｓ（ωｃt＋θ）だけ異なっている。Ｚ及びθは、それぞれ電気光学位相変調器21への印加電圧である正弦波信号の振幅及び初期位相で決まる。
【００２７】
回転多面体ミラー32での反射位置中心とレンズ33の距離は、レンズ33の焦点距離ｆであり、参照面ミラー42表面と被測定物体41表面は、いずれも集光された収束光のビームウエスト内に含まれている。集光された収束光の径の大きさをφｂとする。回転多面体ミラー32が回転すると、集光された収束光は被測定物体41表面および参照面ミラー42表面をｘ軸方向に速度Ｖｓで移動する。回転多面体ミラー32の回転数がＲｖのとき、回転多面体ミラー32による収束光の走査角度γは４πＲｖｔとなり、そのときの収束光の走査位置ｘはｆｔａｎγとなる。ｃｏｓ２γを１に近似すると、収束光の走査速度Ｖｓはｄｘ／ｄｔ＝４πｆＲｖとなる。なお、回転多面体ミラー32を回転させるモータの動作は、図示しない制御手段により制御され、回転多面体ミラー32の回転数の情報は、制御手段から演算処理装置63へ送信される。
【００２８】
被測定物体41表面及び参照面ミラー42表面から反射された光は、偏光ビームスプリッタ34で再び重ね合わされ、もとの経路を通って平行光となり、ビームスプリッタ31で反射し、レンズ51で集光されながら偏光板52を通過することによって、直交する２つの光は干渉する。レンズ51の焦点面にあるピンホール53を通過した光は光電子倍増管61で受光され、次式の干渉信号Ｓ（ｔ）が検出される。
【００２９】
【数３】
【００３０】
Ｌ（ｔ）は被測定物体41表面及び参照面ミラー42表面からの反射光の伝搬距離の差である。α（ｔ）を求めれば、ｘ＝Ｖｔの関係で被測定物体の表面形状ｒ（ｘ）＝Ｌ（ｘ）／２が得られる。光電子倍増管61は光電変換を行い、光量に対応した光量信号を信号処理回路装置62へ送る。信号処理回路装置62は、この光量信号をＡ／Ｄ変換し、演算処理装置63に送る。信号処理回路装置62に含まれるＡ／Ｄ変換器のサンプリング周波数ｆｓは８ｆｃであり、その結果、干渉信号のサンプリング間隔は被測定物体表面上でΔｄ＝Ｖｓ（１／ｆｓ）となる。演算処理装置63は、フーリエ変換を用いて干渉信号Ｓ（ｔ）を演算処理することによって位相α（ｔ）を得る。
【００３１】
ｘ軸方向のある直線に沿っての収束光の走査が終了したら、被測定物体をｙ軸方向に平行移動させ、ｘ軸方向の別の直線に沿っての走査を行うことによって、２次元平面の表面形状を測定することができる。
【００３２】
以上のように、本実施例の表面形状の測定方法は、レーザ光源としての半導体レーザ光源11からのレーザ光を平行光束としてビームスプリッタ31を介して走査ミラーとしての回転多面体ミラー32に導き、該回転多面体ミラー32で前記レーザ光を走査光に変換してテレセントリックレンズとしてのレンズ33に入射させ、該レンズ33の焦点面近傍に配置した参照平面としての参照面ミラー42及び被測定物体41の表面からの反射光を前記レンズ33により平行光束に変換し、前記回転多面体ミラー32で反射させた後に前記ビームスプリッタ31で前記半導体レーザ光源11からのレーザ光と分離し、結像レンズとしてのレンズ51によって集光して前記レンズ33の焦点面と共役の位置に設置したピンホール53を通過させ、該ピンホール53を通過した光の光量を受光素子としての光電子倍増管61で計測する表面形状の測定方法であって、前記半導体レーザ光源11からのレーザ光を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換してから前記回転多面体ミラー32に導き、前記レンズ33を通過した前記合成光を構成する２つの光を偏光ビームスプリッタ34により分離してその一方の光を前記参照面ミラー42、他方の光を前記被測定物体41の表面に照射し、前記参照面ミラー42からの反射光と前記被測定物体41の表面からの反射光を前記偏光ビームスプリッタ34により再び重ね合わせ、偏光板52を通過させることにより前記参照面ミラー42からの反射光と前記被測定物体41の表面からの反射光を干渉させるものである。
【００３３】
また、電気光学位相変調器21を用いて、前記半導体レーザ光源11からのレーザ光を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換するものである。
【００３４】
また、前記偏光板52を通過させることにより前記参照面ミラー42からの反射光と前記被測定物体41の表面からの反射光を干渉させることにより生じる干渉信号Ｓ（ｔ）は、
【００３５】
【数４】
【００３６】
（ここで、Ｚとθは前記電気光学位相変調器21への印加電圧である角周波数ωｃの正弦波信号の振幅及び初期位相で決まる定数、Ｌ（ｔ）は前記参照面ミラー42と前記被測定物体41からの反射光の伝搬距離の差、ｔは時間）で表わされ、この干渉信号Ｓ（ｔ）を受光素子としての光電子倍増管61で検出して位相α（ｔ）を求めるものである。
【００３７】
本実施例の表面形状の測定装置は、レーザ光源としての半導体レーザ光源11と、この半導体レーザ光源11からのレーザ光を平行光束とするコリメータレンズとしてのレンズ12と、この平行光束を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換する位相変調直交偏光発生装置20と、この合成光を走査光に変換する走査ミラーとしての回転多面体ミラー32と、この走査光を集光するテレセントリックレンズとしてのレンズ33と、このレンズ33を通過した前記合成光を構成する２つの光を分離してその一方の光を参照平面としての参照面ミラー42、他方の光を被測定物体41の表面に照射するとともに前記参照面ミラー42からの反射光と前記被測定物体41の表面からの反射光を再び重ね合わせる偏光ビームスプリッタ34と、前記レンズ33を通過して前記回転多面体ミラー32で反射された前記２つの反射光を前記位相変調直交偏光発生装置20からの合成光と分離するビームスプリッタ31と、前記２つの反射光を集光する結像レンズとしてのレンズ51と、前記２つの反射光を干渉させる偏光板52と、前記レンズ33の焦点面と共役の位置に設置されたピンホール53と、このピンホール53を通過した光の光量を計測する受光素子としての光電子倍増管61とを備えたものである。
【００３８】
また、前記位相変調直交偏光発生装置20は、電気光学位相変調器21を備えたものである。
【００３９】
本実施例の表面形状の測定方法及び測定装置によれば、位相変調された干渉信号を検出することができ、正弦波位相変調法によって生じる位相変調された干渉信号を電子回路処理又は演算処理し、干渉信号の位相を検出することによって、ナノメータオーダの垂直分解能を得ることができる。
【００４０】
また、本実施例は、共焦点レーザ走査形状測定器にレーザ干渉計の機能を取り入れた装置を用いるものであり、レーザ干渉計の垂直分解能、すなわち高さ方向の分解能はナノメータオーダの値であり、また、共焦点レーザ走査形状測定器の空間分解能、すなわち水平方向の分解能はミクロンオーダの値であることから、高い空間分解能で広い測定領域を保ったまま、高さ方向についてナノメートルオーダでの表面形状計測を行うことができる。
【００４１】
本実施例の表面形状の測定方法及び測定装置を用いることによって、従来は大きな形状変化を有しているために測定不可能であった直径数ｃｍの非球面レンズの金型の形状を測定することができる。このほか、微細加工された面積の広いデバイス、例えばフラットパネルディスプレイに使用される微細加工デバイスの表面形状を測定することができる。
【００４２】
さらに、多くの工業製品に用いられている透明膜やプラスチック板の表面形状測定においては、通常の干渉計では板の上面と下面からの干渉信号が混在するため測定が不可能であったが、本実施例では共焦点光学系の構成となっているため、板の上面からの反射光だけに対して干渉信号を生成することができ、板の上面の形状を高い空間分解能で広い領域にわたって測定することができる。
【実施例２】
【００４３】
以下、実施例１と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００４４】
本実施例では、位相変調直交偏光発生装置20はヘテロダイン変調法を用いた構成になっており、図３に示すように、ミラー24で傾けられたレーザ光が音響光学周波数変調器25に入射するようになっている。
【００４５】
音響光学周波数変調器25からの０次回折光は、偏光板27，28を通過し、ミラー29で反射した後、偏光ビームスプリッタ26に垂直入射して偏光ビームスプリッタ26内で反射するようになっている。また、音響光学周波数変調器25からの１次回折光は、偏光ビームスプリッタ26内で０次回折光と重なるようになっている。そして、０次回折光と１次回折光は同じ方向に伝搬し、回転多面体ミラー32で反射されるようになっている。
【００４６】
つぎに、本実施例の表面形状の測定装置の動作について説明する。
【００４７】
半導体レーザ光源11から出力されたレーザ光は、レンズ12により平行光となり、位相変調直交偏光発生装置20のミラー24で僅かに傾けられて、音響光学周波数変調器25に入射する。音響光学周波数変調器25への印加電圧は角周波数ωｃの正弦波信号である。
【００４８】
音響光学周波数変調器25からの０次回折光は、偏光板27に入射してその偏光方向が４５度回転し、続いて偏光板28に入射して偏光方向がさらに４５度回転する。この０次回折光はミラー29で反射され、偏光ビームスプリッタ26に垂直入射し、偏光ビームスプリッタ26内で反射される。音響光学周波数変調器25からの１次回折光は、偏光ビームスプリッタ26内で０次回折光と重なり、０次回折光と同じ方向に伝搬する平行光となる。偏光ビームスプリッタ26からの出射光は、偏光方向が直交する２つの平行光からなり、それらの光の位相の差はωｃt＋θである。この平行光はレンズ22とレンズ23で必要な大きさに拡大され、回転多面体ミラー32で反射される。
【００４９】
その後の光学系とその動作は実施例１の正弦波位相変調法を用いる場合と同様であり、光電子倍増管61で検出される干渉信号Ｓ（ｔ）は次式で与えられる。
【００５０】
【数５】
【００５１】
信号処理回路装置62は、干渉信号Ｓ（ｔ）からｃｏｓ｛α（ｔ）｝とｓｉｎ｛α（ｔ）｝の信号を生成する。生成した信号は演算処理装置63に取り込まれ、演算処理装置63は位相α（ｔ）を得る。その結果、被測定物体の表面形状ｒ（ｘ）＝Ｌ（ｘ）／２が求められる。
【００５２】
以上のように、本実施例の表面形状の測定方法は、音響光学周波数変調器25を用いて、前記半導体レーザ光源11からのレーザ光を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換するものである。
【００５３】
また、前記偏光板52を通過させることにより前記参照面ミラー42からの反射光と前記被測定物体41の表面からの反射光を干渉させることにより生じる干渉信号Ｓ（ｔ）は、
【００５４】
【数６】
【００５５】
（ここで、前記音響光学周波数変調器25への印加電圧は角周波数ωｃの正弦波信号、Ｌ（ｔ）は前記参照面ミラー42と前記被測定物体41からの反射光の伝搬距離の差、ｔは時間）で表わされ、この干渉信号Ｓ（ｔ）を受光素子としての光電子倍増管61で検出して位相α（ｔ）を求めるものである。
【００５６】
本実施例の表面形状の測定装置は、前記位相変調直交偏光発生装置20は、音響光学周波数変調器25を備えたものである。
【００５７】
ヘテロダイン位相変調法によって生じる位相変調された干渉信号を電子回路処理又は演算処理し、干渉信号の位相を検出することによって、ナノメータオーダの垂直分解能を得ることができる。
【実施例３】
【００５８】
被測定物体41を平面ミラーとし、実施例１の装置を用いて測定を行った。半導体レーザ光源11のレーザ光の波長λは６５８ｎｍ、出力は４０ｍＷであり、電気光学位相変調器21の正弦波位相変調周波数ωｃ／２πは１０ＭＨｚであった。信号処理回路装置62のＡ／Ｄ変換器のサンプリング周波数ｆｓは８ｆｃ、回転多面体ミラー32の回転数Ｒｖは２３ｒｐｓ、レンズ33による収束光の径の大きさφｂは５．６μｍであった。収束光の走査速度Ｖｓは２０．２ｍ/ｓとなり、干渉信号のサンプリング間隔Δｄは０．２５μｍであった。
【００５９】
平面ミラー上を走査することにより検出された干渉信号の全体を図４に示す。横軸のＩｓは干渉信号Ｓ（ｔ）のサンプリング番号である。Ｓ（ｔ）の検出が可能な区間での走査点数（サンプリング点数）Ｎｓは７２０００点であった。その結果、走査幅(測定領域)ｄはＮｓΔｄ＝１８．２ｍｍ、走査時間ＴｓはＮｓ／ｆｓ＝０．９１ｍｓであった。
【００６０】
図５は、サンプリング番号Ｉｓが１５０００から１５１００までの範囲での干渉信号Ｓ（ｔ）の拡大図である。干渉信号の波形が周波数ｆｃ＝１０ＭＨｚで正弦波位相変調された形となっていることが分かる。正弦波位相変調の定数はＺ＝１．９ｒａｄ、θ＝０．０５ｒａｄであった。
【００６１】
ｆｃの１周期に相当する８個の走査点の干渉信号Ｓ（ｔ）から１つのα（ｔ）を順次求めた結果が図６である。横軸のＩｍはα（ｔ）の測定点の番号であり、測定点数ＮｍはＮｓ／８＝９０００点であり、測定間隔Δｘは８Δｄ＝２．０２μｍであった。測定間隔Δｘが空間分解能となる。被測定物体41は平面ミラーであるので、図６のα（ｔ）の位相の分布は理想的には直線状になるが、２ｒａｄ程度の幅で変化した。このαの分布は干渉計の持つ収差とみなされる。
【００６２】
つぎに研磨された金属表面の形状を測定した結果を示す。図７は、干渉信号から求められた位相分布から図６の位相分布（収差）を引くことによって得られた位相α（ｔ）である。測定領域は１５ｍｍであり、位相１ｒａｄの大きさが表面形状では５７ｎｍに対応する。高さ５７μｍ（位相で１０００ｒａｄ）の傾斜がＩｍについて３７５から４３００付近までの範囲で測定された。
【００６３】
Ｉｍについて５５００から５８００の範囲で測定された位相α（ｔ）の２回の測定結果を図８に示す。２回の測定結果は良く一致しており、平坦部での表面形状の微細な凹凸分布が測定された。例えば、図に示すようにＩｍが５７００付近で、幅３０μｍの部分で３０ｎｍ（位相で０．５ｒａｄ）程度の凸形状があることが分かる。
【００６４】
本実施例では、周波数１０ＭＨｚの高速な正弦波位相変調を用いることによって、２０ｍ／ｓの高速なレーザビーム走査において、２μｍの細かい測定間隔で干渉信号の位相の検出が可能であった。すなわち、走査時間０．９ｍｓでレーザビームの走査範囲は１８ｍｍであり、１８ｍｍの測定領域での空間分解能は２μｍと非常に高い値となった。かつ、干渉信号の位相測定から被測定対象の表面形状を求めていることから、ナノメータオーダの表面形状測定となっており、測定誤差は６ｎｍ程度となった。以上のように、従来の干渉計装置では実現できない、高い空間分解能と広い測定領域を同時に実現できる。
【符号の説明】
【００６５】
11 半導体レーザ光源（レーザ光源）
12 レンズ（コリメータレンズ）
20 位相変調直交偏光発生装置
21 電気光学位相変調器
25 音響光学周波数変調器
31 ビームスプリッタ
32 回転多面体ミラー（走査ミラー）
33 レンズ（テレセントリックレンズ）
34 偏光ビームスプリッタ
41 被測定物体
42 参照面ミラー（参照平面）
51 レンズ（結像レンズ）
52 偏光板
53 ピンホール
61 光電子倍増管（受光素子）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面形状の測定方法及び測定装置に関し、特にレーザ走査干渉を用いた表面形状の測定方法及び測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ走査干渉計として、特許文献１に記載のものが知られている。このレーザ走査干渉計は、レーザ光源からのレーザ光を平行光束としてビームスプリッタを介して走査ミラーに導き、該走査ミラーで前記レーザ光を走査光に変換してテレセントリックレンズに入射させ、該テレセントリックレンズの焦点面近傍に近接配置した参照面及び被観察面からの反射光を前記テレセントリックレンズにより平行光束に変換し、前記走査ミラーで反射させた後に前記ビームスプリッタでレーザ光源からのレーザ光と分離し、結像レンズによって集光して前記テレセントリックレンズの焦点面と共役の位置に設置したスリットを通過させ、該スリットを通過した前記反射光の光量を受光素子で計測し、計測した光量信号をＡ／Ｄ変換して前記走査ミラーの角度に対応した時系列データとして演算手段に取り込んで配置することにより干渉波形を取得する。そして、レーザ光による走査光で参照面と被観察面とを走査することから、走査するレーザ光の光点サイズでの分解能、例えば２万×１．６万ドットの約３億画素程度の分解能が得られる。したがって、受光部の分解能にとらわれずに高精細、高コントラストの干渉波形を得ることができる。これにより、横分解能を高めることができるので、高低差の急激な部分も、高低差が緩やかな部分も干渉波形として確実に検出することができる。さらに、参照面と被観察面とからの反射光を、テレセントリックレンズの焦点面と共役の位置に設置したスリットを通過させることにより、余分な反射光をカットしてピントの合った光だけが受光素子に受光されることから、横分解能の向上、高精細化、高コントラスト化を促進することができる、というものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−３０９６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のレーザ走査干渉計は、共焦点レーザ走査形状測定器の高い空間分解能を保持しているため、従来の干渉計では観測できなかった微細な構造を有する干渉縞パターンが観測されており、被測定物体の表面の大まかな形状をレーザ波長の半波長程度の分解能で推定することはできる。しかし、この１枚の干渉縞パターンから定量的な表面形状を計算し、ナノメータオーダでの分解能で表面形状測定を行うことは困難である。なお、特許文献１には、位相変調された干渉縞パターン或いは干渉信号を得るために、参照面をレーザ波長以下の量だけ光軸方向に移動させ、複数の位相変調された干渉縞パターンを取得することが望ましいと記載されているが、複数の位相変調された干渉縞パターンから表面形状を計算する方法についての開示はなされてない。
【０００５】
そこで、本発明は、位相変調された干渉信号を検出し、干渉信号の位相を求める信号処理演算を行うことによってナノメータオーダでの分解能で表面形状測定を行うことのできる、表面形状の測定方法及び測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の表面形状の測定方法は、レーザ光源からのレーザ光を平行光束としてビームスプリッタを介して走査ミラーに導き、該走査ミラーで前記レーザ光を走査光に変換してテレセントリックレンズに入射させ、該テレセントリックレンズの焦点面近傍に配置した参照平面及び被測定物体の表面からの反射光を前記テレセントリックレンズにより平行光束に変換し、前記走査ミラーで反射させた後に前記ビームスプリッタで前記レーザ光源からのレーザ光と分離し、結像レンズによって集光して前記テレセントリックレンズの焦点面と共役の位置に設置したピンホールを通過させ、該ピンホールを通過した光の光量を受光素子で計測する表面形状の測定方法であって、前記レーザ光源からのレーザ光を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換してから前記走査ミラーに導き、前記テレセントリックレンズを通過した前記合成光を構成する２つの光を偏光ビームスプリッタにより分離してその一方の光を前記参照平面、他方の光を前記被測定物体の表面に照射し、前記参照平面からの反射光と前記被測定物体の表面からの反射光を前記偏光ビームスプリッタにより再び重ね合わせ、偏光板を通過させることにより前記参照平面からの反射光と前記被測定物体の表面からの反射光を干渉させることを特徴とする。
【０００７】
また、電気光学位相変調器を用いて、前記レーザ光源からのレーザ光を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換することを特徴とする。
【０００８】
また、前記偏光板を通過させることにより前記参照平面からの反射光と前記被測定物体の表面からの反射光を干渉させることにより生じる干渉信号Ｓ（ｔ）は、
【０００９】
【数１】
【００１０】
（ここで、Ｚとθは前記電気光学位相変調器への印加電圧である角周波数ωｃの正弦波信号の振幅及び初期位相で決まる定数、Ｌ（ｔ）は前記参照平面と前記被測定物体からの反射光の伝搬距離の差、ｔは時間）で表わされ、この干渉信号Ｓ（ｔ）を受光素子で検出して位相α（ｔ）を求めることを特徴とする。
【００１１】
また、音響光学周波数変調器を用いて、前記レーザ光源からのレーザ光を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換することを特徴とする。
【００１２】
また、前記偏光板を通過させることにより前記参照平面からの反射光と前記被測定物体の表面からの反射光を干渉させることにより生じる干渉信号Ｓ（ｔ）は、
【００１３】
【数２】
【００１４】
（ここで、前記音響光学周波数変調器への印加電圧は角周波数ωｃの正弦波信号、Ｌ（ｔ）は前記参照平面と前記被測定物体からの反射光の伝搬距離の差、ｔは時間）で表わされ、この干渉信号Ｓ（ｔ）を受光素子で検出して位相α（ｔ）を求めることを特徴とする。
【００１５】
本発明の表面形状の測定装置は、レーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光を平行光束とするコリメータレンズと、この平行光束を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換する位相変調直交偏光発生装置と、この合成光を走査光に変換する走査ミラーと、この走査光を集光するテレセントリックレンズと、このテレセントリックレンズを通過した前記合成光を構成する２つの光を分離してその一方の光を参照平面、他方の光を被測定物体の表面に照射するとともに前記参照平面からの反射光と前記被測定物体の表面からの反射光を再び重ね合わせる偏光ビームスプリッタと、前記テレセントリックレンズを通過して前記走査ミラーで反射された前記２つの反射光を前記位相変調直交偏光発生装置からの合成光と分離するビームスプリッタと、前記２つの反射光を集光する結像レンズと、前記２つの反射光を干渉させる偏光板と、前記テレセントリックレンズの焦点面と共役の位置に設置されたピンホールと、このピンホールを通過した光の光量を計測する受光素子とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、前記位相変調直交偏光発生装置は、電気光学位相変調器を備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、前記位相変調直交偏光発生装置は、音響光学周波数変調器を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の表面形状の測定方法及び測定装置によれば、位相変調された干渉信号を検出することができ、干渉信号の位相を求める信号処理演算を行うことによってナノメータオーダでの分解能で表面形状測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１の表面形状の測定装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】実施例１の表面形状の測定装置の位相変調直交偏光発生装置の構成を示す概略図である。
【図３】実施例２の表面形状の測定装置の位相変調直交偏光発生装置の構成を示す概略図である。
【図４】実施例３の平面ミラーを走査することにより検出された干渉信号の全体を示すグラフである。
【図５】実施例３の図４の干渉信号の一部の時間方向に拡大したグラフである。
【図６】実施例３の図４の干渉信号から得られた位相分布を示すグラフである。
【図７】実施例３の研磨された金属表面に対する位相分布の測定結果を示すグラフである。
【図８】実施例３の図７の位相分布の一部を拡大したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の表面形状の測定方法及び測定装置の実施例について、添付した図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２１】
本実施例の表面形状の測定装置を示す図１において、11はレーザ光源としての半導体レーザ光源であり、この半導体レーザ光源11から出力されたレーザ光は、コリメータレンズとしてのレンズ12を通過して、位相変調直交偏光発生装置20に入射するようになっている。本実施例では、位相変調直交偏光発生装置20は正弦波位相変調法を用いた構成になっており、図２に示すように、電気光学位相変調器21にレーザ光が入射するようになっている。
【００２２】
電気光学位相変調器21により変調された光は、レンズ22とレンズ23を通過し、ビームスプリッタ31を通過して、図示しないモータによって回転する走査ミラーとしての回転多面体ミラー32で反射されるようになっている。回転多面体ミラー32で反射された光は、テレセントリックレンズからなるレンズ33を通過して、偏光ビームスプリッタ34によって被測定物体41へ入射する光と参照面ミラー42に入射する光に分けられるようになっている。回転多面体ミラー32での反射位置中心とレンズ33の距離は、レンズ33の焦点距離ｆとなっている。また、参照面ミラー表面42はレンズ33の焦点面内にあり、被測定物体41表面はレンズ33の焦点面を含み、いずれの表面も集光されたビームのビームウエスト内に含まれるようになっている。
【００２３】
被測定物体41表面及び参照面としての参照面ミラー42表面から反射された光は、偏光ビームスプリッタ34で再び重ね合わされ、もとの経路を通ってビームスプリッタ31で反射され、結像レンズとしてのレンズ51、偏光板52を通過し、レンズ33の焦点面と共役の位置に設置されたピンホール53を通過し、受光素子としての光電子倍増管61で受光されるようになっている。そして、光電子倍増管61で検出された干渉信号は、Ａ／Ｄ変換ボードを備えた信号処理回路装置62によってパーソナルコンピュータからなる演算処理装置63に取り込まれるようになっている。
【００２４】
つぎに、本実施例の表面形状の測定装置の動作について説明する。
【００２５】
半導体レーザ光源11から出力されたレーザ光は、レンズ12により平行光となり、位相変調直交偏光発生装置20の電気光学位相変調器21に入射する。このとき、電気光学位相変調器21の複屈折性結晶の直交する複屈折軸に対して、平行光の直線偏光方向は４５度の角度をなす。電気光学位相変調器21への印加電圧は、角周波数ωｃの正弦波信号である。
【００２６】
電気光学位相変調器21からの平行光は、レンズ22とレンズ23で必要な大きさに拡大され、ビームスプリッタ31を通過して、回転多面体ミラー32で反射される。回転多面体ミラー32で反射された反射光は、レンズ33で収束光に変換され、偏光ビームスプリッタ34によって被測定物体41へ入射する光と参照面ミラー42に入射する光に分けられる。それぞれの光は電気光学位相変調器21による位相変調を受けており、偏光方向が互いに直交しており、２つの光の位相はＺｃｏｓ（ωｃt＋θ）だけ異なっている。Ｚ及びθは、それぞれ電気光学位相変調器21への印加電圧である正弦波信号の振幅及び初期位相で決まる。
【００２７】
回転多面体ミラー32での反射位置中心とレンズ33の距離は、レンズ33の焦点距離ｆであり、参照面ミラー42表面と被測定物体41表面は、いずれも集光された収束光のビームウエスト内に含まれている。集光された収束光の径の大きさをφｂとする。回転多面体ミラー32が回転すると、集光された収束光は被測定物体41表面および参照面ミラー42表面をｘ軸方向に速度Ｖｓで移動する。回転多面体ミラー32の回転数がＲｖのとき、回転多面体ミラー32による収束光の走査角度γは４πＲｖｔとなり、そのときの収束光の走査位置ｘはｆｔａｎγとなる。ｃｏｓ２γを１に近似すると、収束光の走査速度Ｖｓはｄｘ／ｄｔ＝４πｆＲｖとなる。なお、回転多面体ミラー32を回転させるモータの動作は、図示しない制御手段により制御され、回転多面体ミラー32の回転数の情報は、制御手段から演算処理装置63へ送信される。
【００２８】
被測定物体41表面及び参照面ミラー42表面から反射された光は、偏光ビームスプリッタ34で再び重ね合わされ、もとの経路を通って平行光となり、ビームスプリッタ31で反射し、レンズ51で集光されながら偏光板52を通過することによって、直交する２つの光は干渉する。レンズ51の焦点面にあるピンホール53を通過した光は光電子倍増管61で受光され、次式の干渉信号Ｓ（ｔ）が検出される。
【００２９】
【数３】
【００３０】
Ｌ（ｔ）は被測定物体41表面及び参照面ミラー42表面からの反射光の伝搬距離の差である。α（ｔ）を求めれば、ｘ＝Ｖｔの関係で被測定物体の表面形状ｒ（ｘ）＝Ｌ（ｘ）／２が得られる。光電子倍増管61は光電変換を行い、光量に対応した光量信号を信号処理回路装置62へ送る。信号処理回路装置62は、この光量信号をＡ／Ｄ変換し、演算処理装置63に送る。信号処理回路装置62に含まれるＡ／Ｄ変換器のサンプリング周波数ｆｓは８ｆｃであり、その結果、干渉信号のサンプリング間隔は被測定物体表面上でΔｄ＝Ｖｓ（１／ｆｓ）となる。演算処理装置63は、フーリエ変換を用いて干渉信号Ｓ（ｔ）を演算処理することによって位相α（ｔ）を得る。
【００３１】
ｘ軸方向のある直線に沿っての収束光の走査が終了したら、被測定物体をｙ軸方向に平行移動させ、ｘ軸方向の別の直線に沿っての走査を行うことによって、２次元平面の表面形状を測定することができる。
【００３２】
以上のように、本実施例の表面形状の測定方法は、レーザ光源としての半導体レーザ光源11からのレーザ光を平行光束としてビームスプリッタ31を介して走査ミラーとしての回転多面体ミラー32に導き、該回転多面体ミラー32で前記レーザ光を走査光に変換してテレセントリックレンズとしてのレンズ33に入射させ、該レンズ33の焦点面近傍に配置した参照平面としての参照面ミラー42及び被測定物体41の表面からの反射光を前記レンズ33により平行光束に変換し、前記回転多面体ミラー32で反射させた後に前記ビームスプリッタ31で前記半導体レーザ光源11からのレーザ光と分離し、結像レンズとしてのレンズ51によって集光して前記レンズ33の焦点面と共役の位置に設置したピンホール53を通過させ、該ピンホール53を通過した光の光量を受光素子としての光電子倍増管61で計測する表面形状の測定方法であって、前記半導体レーザ光源11からのレーザ光を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換してから前記回転多面体ミラー32に導き、前記レンズ33を通過した前記合成光を構成する２つの光を偏光ビームスプリッタ34により分離してその一方の光を前記参照面ミラー42、他方の光を前記被測定物体41の表面に照射し、前記参照面ミラー42からの反射光と前記被測定物体41の表面からの反射光を前記偏光ビームスプリッタ34により再び重ね合わせ、偏光板52を通過させることにより前記参照面ミラー42からの反射光と前記被測定物体41の表面からの反射光を干渉させるものである。
【００３３】
また、電気光学位相変調器21を用いて、前記半導体レーザ光源11からのレーザ光を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換するものである。
【００３４】
また、前記偏光板52を通過させることにより前記参照面ミラー42からの反射光と前記被測定物体41の表面からの反射光を干渉させることにより生じる干渉信号Ｓ（ｔ）は、
【００３５】
【数４】
【００３６】
（ここで、Ｚとθは前記電気光学位相変調器21への印加電圧である角周波数ωｃの正弦波信号の振幅及び初期位相で決まる定数、Ｌ（ｔ）は前記参照面ミラー42と前記被測定物体41からの反射光の伝搬距離の差、ｔは時間）で表わされ、この干渉信号Ｓ（ｔ）を受光素子としての光電子倍増管61で検出して位相α（ｔ）を求めるものである。
【００３７】
本実施例の表面形状の測定装置は、レーザ光源としての半導体レーザ光源11と、この半導体レーザ光源11からのレーザ光を平行光束とするコリメータレンズとしてのレンズ12と、この平行光束を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換する位相変調直交偏光発生装置20と、この合成光を走査光に変換する走査ミラーとしての回転多面体ミラー32と、この走査光を集光するテレセントリックレンズとしてのレンズ33と、このレンズ33を通過した前記合成光を構成する２つの光を分離してその一方の光を参照平面としての参照面ミラー42、他方の光を被測定物体41の表面に照射するとともに前記参照面ミラー42からの反射光と前記被測定物体41の表面からの反射光を再び重ね合わせる偏光ビームスプリッタ34と、前記レンズ33を通過して前記回転多面体ミラー32で反射された前記２つの反射光を前記位相変調直交偏光発生装置20からの合成光と分離するビームスプリッタ31と、前記２つの反射光を集光する結像レンズとしてのレンズ51と、前記２つの反射光を干渉させる偏光板52と、前記レンズ33の焦点面と共役の位置に設置されたピンホール53と、このピンホール53を通過した光の光量を計測する受光素子としての光電子倍増管61とを備えたものである。
【００３８】
また、前記位相変調直交偏光発生装置20は、電気光学位相変調器21を備えたものである。
【００３９】
本実施例の表面形状の測定方法及び測定装置によれば、位相変調された干渉信号を検出することができ、正弦波位相変調法によって生じる位相変調された干渉信号を電子回路処理又は演算処理し、干渉信号の位相を検出することによって、ナノメータオーダの垂直分解能を得ることができる。
【００４０】
また、本実施例は、共焦点レーザ走査形状測定器にレーザ干渉計の機能を取り入れた装置を用いるものであり、レーザ干渉計の垂直分解能、すなわち高さ方向の分解能はナノメータオーダの値であり、また、共焦点レーザ走査形状測定器の空間分解能、すなわち水平方向の分解能はミクロンオーダの値であることから、高い空間分解能で広い測定領域を保ったまま、高さ方向についてナノメートルオーダでの表面形状計測を行うことができる。
【００４１】
本実施例の表面形状の測定方法及び測定装置を用いることによって、従来は大きな形状変化を有しているために測定不可能であった直径数ｃｍの非球面レンズの金型の形状を測定することができる。このほか、微細加工された面積の広いデバイス、例えばフラットパネルディスプレイに使用される微細加工デバイスの表面形状を測定することができる。
【００４２】
さらに、多くの工業製品に用いられている透明膜やプラスチック板の表面形状測定においては、通常の干渉計では板の上面と下面からの干渉信号が混在するため測定が不可能であったが、本実施例では共焦点光学系の構成となっているため、板の上面からの反射光だけに対して干渉信号を生成することができ、板の上面の形状を高い空間分解能で広い領域にわたって測定することができる。
【実施例２】
【００４３】
以下、実施例１と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００４４】
本実施例では、位相変調直交偏光発生装置20はヘテロダイン変調法を用いた構成になっており、図３に示すように、ミラー24で傾けられたレーザ光が音響光学周波数変調器25に入射するようになっている。
【００４５】
音響光学周波数変調器25からの０次回折光は、偏光板27，28を通過し、ミラー29で反射した後、偏光ビームスプリッタ26に垂直入射して偏光ビームスプリッタ26内で反射するようになっている。また、音響光学周波数変調器25からの１次回折光は、偏光ビームスプリッタ26内で０次回折光と重なるようになっている。そして、０次回折光と１次回折光は同じ方向に伝搬し、回転多面体ミラー32で反射されるようになっている。
【００４６】
つぎに、本実施例の表面形状の測定装置の動作について説明する。
【００４７】
半導体レーザ光源11から出力されたレーザ光は、レンズ12により平行光となり、位相変調直交偏光発生装置20のミラー24で僅かに傾けられて、音響光学周波数変調器25に入射する。音響光学周波数変調器25への印加電圧は角周波数ωｃの正弦波信号である。
【００４８】
音響光学周波数変調器25からの０次回折光は、偏光板27に入射してその偏光方向が４５度回転し、続いて偏光板28に入射して偏光方向がさらに４５度回転する。この０次回折光はミラー29で反射され、偏光ビームスプリッタ26に垂直入射し、偏光ビームスプリッタ26内で反射される。音響光学周波数変調器25からの１次回折光は、偏光ビームスプリッタ26内で０次回折光と重なり、０次回折光と同じ方向に伝搬する平行光となる。偏光ビームスプリッタ26からの出射光は、偏光方向が直交する２つの平行光からなり、それらの光の位相の差はωｃt＋θである。この平行光はレンズ22とレンズ23で必要な大きさに拡大され、回転多面体ミラー32で反射される。
【００４９】
その後の光学系とその動作は実施例１の正弦波位相変調法を用いる場合と同様であり、光電子倍増管61で検出される干渉信号Ｓ（ｔ）は次式で与えられる。
【００５０】
【数５】
【００５１】
信号処理回路装置62は、干渉信号Ｓ（ｔ）からｃｏｓ｛α（ｔ）｝とｓｉｎ｛α（ｔ）｝の信号を生成する。生成した信号は演算処理装置63に取り込まれ、演算処理装置63は位相α（ｔ）を得る。その結果、被測定物体の表面形状ｒ（ｘ）＝Ｌ（ｘ）／２が求められる。
【００５２】
以上のように、本実施例の表面形状の測定方法は、音響光学周波数変調器25を用いて、前記半導体レーザ光源11からのレーザ光を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換するものである。
【００５３】
また、前記偏光板52を通過させることにより前記参照面ミラー42からの反射光と前記被測定物体41の表面からの反射光を干渉させることにより生じる干渉信号Ｓ（ｔ）は、
【００５４】
【数６】
【００５５】
（ここで、前記音響光学周波数変調器25への印加電圧は角周波数ωｃの正弦波信号、Ｌ（ｔ）は前記参照面ミラー42と前記被測定物体41からの反射光の伝搬距離の差、ｔは時間）で表わされ、この干渉信号Ｓ（ｔ）を受光素子としての光電子倍増管61で検出して位相α（ｔ）を求めるものである。
【００５６】
本実施例の表面形状の測定装置は、前記位相変調直交偏光発生装置20は、音響光学周波数変調器25を備えたものである。
【００５７】
ヘテロダイン位相変調法によって生じる位相変調された干渉信号を電子回路処理又は演算処理し、干渉信号の位相を検出することによって、ナノメータオーダの垂直分解能を得ることができる。
【実施例３】
【００５８】
被測定物体41を平面ミラーとし、実施例１の装置を用いて測定を行った。半導体レーザ光源11のレーザ光の波長λは６５８ｎｍ、出力は４０ｍＷであり、電気光学位相変調器21の正弦波位相変調周波数ωｃ／２πは１０ＭＨｚであった。信号処理回路装置62のＡ／Ｄ変換器のサンプリング周波数ｆｓは８ｆｃ、回転多面体ミラー32の回転数Ｒｖは２３ｒｐｓ、レンズ33による収束光の径の大きさφｂは５．６μｍであった。収束光の走査速度Ｖｓは２０．２ｍ/ｓとなり、干渉信号のサンプリング間隔Δｄは０．２５μｍであった。
【００５９】
平面ミラー上を走査することにより検出された干渉信号の全体を図４に示す。横軸のＩｓは干渉信号Ｓ（ｔ）のサンプリング番号である。Ｓ（ｔ）の検出が可能な区間での走査点数（サンプリング点数）Ｎｓは７２０００点であった。その結果、走査幅(測定領域)ｄはＮｓΔｄ＝１８．２ｍｍ、走査時間ＴｓはＮｓ／ｆｓ＝０．９１ｍｓであった。
【００６０】
図５は、サンプリング番号Ｉｓが１５０００から１５１００までの範囲での干渉信号Ｓ（ｔ）の拡大図である。干渉信号の波形が周波数ｆｃ＝１０ＭＨｚで正弦波位相変調された形となっていることが分かる。正弦波位相変調の定数はＺ＝１．９ｒａｄ、θ＝０．０５ｒａｄであった。
【００６１】
ｆｃの１周期に相当する８個の走査点の干渉信号Ｓ（ｔ）から１つのα（ｔ）を順次求めた結果が図６である。横軸のＩｍはα（ｔ）の測定点の番号であり、測定点数ＮｍはＮｓ／８＝９０００点であり、測定間隔Δｘは８Δｄ＝２．０２μｍであった。測定間隔Δｘが空間分解能となる。被測定物体41は平面ミラーであるので、図６のα（ｔ）の位相の分布は理想的には直線状になるが、２ｒａｄ程度の幅で変化した。このαの分布は干渉計の持つ収差とみなされる。
【００６２】
つぎに研磨された金属表面の形状を測定した結果を示す。図７は、干渉信号から求められた位相分布から図６の位相分布（収差）を引くことによって得られた位相α（ｔ）である。測定領域は１５ｍｍであり、位相１ｒａｄの大きさが表面形状では５７ｎｍに対応する。高さ５７μｍ（位相で１０００ｒａｄ）の傾斜がＩｍについて３７５から４３００付近までの範囲で測定された。
【００６３】
Ｉｍについて５５００から５８００の範囲で測定された位相α（ｔ）の２回の測定結果を図８に示す。２回の測定結果は良く一致しており、平坦部での表面形状の微細な凹凸分布が測定された。例えば、図に示すようにＩｍが５７００付近で、幅３０μｍの部分で３０ｎｍ（位相で０．５ｒａｄ）程度の凸形状があることが分かる。
【００６４】
本実施例では、周波数１０ＭＨｚの高速な正弦波位相変調を用いることによって、２０ｍ／ｓの高速なレーザビーム走査において、２μｍの細かい測定間隔で干渉信号の位相の検出が可能であった。すなわち、走査時間０．９ｍｓでレーザビームの走査範囲は１８ｍｍであり、１８ｍｍの測定領域での空間分解能は２μｍと非常に高い値となった。かつ、干渉信号の位相測定から被測定対象の表面形状を求めていることから、ナノメータオーダの表面形状測定となっており、測定誤差は６ｎｍ程度となった。以上のように、従来の干渉計装置では実現できない、高い空間分解能と広い測定領域を同時に実現できる。
【符号の説明】
【００６５】
11 半導体レーザ光源（レーザ光源）
12 レンズ（コリメータレンズ）
20 位相変調直交偏光発生装置
21 電気光学位相変調器
25 音響光学周波数変調器
31 ビームスプリッタ
32 回転多面体ミラー（走査ミラー）
33 レンズ（テレセントリックレンズ）
34 偏光ビームスプリッタ
41 被測定物体
42 参照面ミラー（参照平面）
51 レンズ（結像レンズ）
52 偏光板
53 ピンホール
61 光電子倍増管（受光素子）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源からのレーザ光を平行光束としてビームスプリッタを介して走査ミラーに導き、該走査ミラーで前記レーザ光を走査光に変換してテレセントリックレンズに入射させ、該テレセントリックレンズの焦点面近傍に配置した参照平面及び被測定物体の表面からの反射光を前記テレセントリックレンズにより平行光束に変換し、前記走査ミラーで反射させた後に前記ビームスプリッタで前記レーザ光源からのレーザ光と分離し、結像レンズによって集光して前記テレセントリックレンズの焦点面と共役の位置に設置したピンホールを通過させ、該ピンホールを通過した光の光量を受光素子で計測する表面形状の測定方法であって、
前記レーザ光源からのレーザ光を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換してから前記走査ミラーに導き、
前記テレセントリックレンズを通過した前記合成光を構成する２つの光を偏光ビームスプリッタにより分離してその一方の光を前記参照平面、他方の光を前記被測定物体の表面に照射し、
前記参照平面からの反射光と前記被測定物体の表面からの反射光を前記偏光ビームスプリッタにより再び重ね合わせ、偏光板を通過させることにより前記参照平面からの反射光と前記被測定物体の表面からの反射光を干渉させることを特徴とする表面形状の測定方法。
【請求項２】
電気光学位相変調器を用いて、前記レーザ光源からのレーザ光を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換することを特徴とする請求項１記載の表面形状の測定方法。
【請求項３】
前記偏光板を通過させることにより前記参照平面からの反射光と前記被測定物体の表面からの反射光を干渉させることにより生じる干渉信号Ｓ（ｔ）は、
【数１】
（ここで、Ｚとθは前記電気光学位相変調器への印加電圧である角周波数ωｃの正弦波信号の振幅及び初期位相で決まる定数、Ｌ（ｔ）は前記参照平面と前記被測定物体からの反射光の伝搬距離の差、ｔは時間）で表わされ、この干渉信号Ｓ（ｔ）を受光素子で検出して位相α（ｔ）を求めることを特徴とする請求項２記載の表面形状の測定方法。
【請求項４】
音響光学周波数変調器を用いて、前記レーザ光源からのレーザ光を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換することを特徴とする請求項１記載の表面形状の測定方法。
【請求項５】
前記偏光板を通過させることにより前記参照平面からの反射光と前記被測定物体の表面からの反射光を干渉させることにより生じる干渉信号Ｓ（ｔ）は、
【数２】
（ここで、前記音響光学周波数変調器への印加電圧は角周波数ωｃの正弦波信号、Ｌ（ｔ）は前記参照平面と前記被測定物体からの反射光の伝搬距離の差、ｔは時間）で表わされ、この干渉信号Ｓ（ｔ）を受光素子で検出して位相α（ｔ）を求めることを特徴とする請求項４記載の表面形状の測定方法。
【請求項６】
レーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光を平行光束とするコリメータレンズと、この平行光束を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換する位相変調直交偏光発生装置と、この合成光を走査光に変換する走査ミラーと、この走査光を集光するテレセントリックレンズと、このテレセントリックレンズを通過した前記合成光を構成する２つの光を分離してその一方の光を参照平面、他方の光を被測定物体の表面に照射するとともに前記参照平面からの反射光と前記被測定物体の表面からの反射光を再び重ね合わせる偏光ビームスプリッタと、前記テレセントリックレンズを通過して前記走査ミラーで反射された前記２つの反射光を前記位相変調直交偏光発生装置からの合成光と分離するビームスプリッタと、前記２つの反射光を集光する結像レンズと、前記２つの反射光を干渉させる偏光板と、前記テレセントリックレンズの焦点面と共役の位置に設置されたピンホールと、このピンホールを通過した光の光量を計測する受光素子とを備えたことを特徴とする表面形状の測定装置。
【請求項７】
前記位相変調直交偏光発生装置は、電気光学位相変調器を備えたことを特徴とする請求項６記載の表面形状の測定装置。
【請求項８】
前記位相変調直交偏光発生装置は、音響光学周波数変調器を備えたことを特徴とする請求項６記載の表面形状の測定装置。
【請求項１】
レーザ光源からのレーザ光を平行光束としてビームスプリッタを介して走査ミラーに導き、該走査ミラーで前記レーザ光を走査光に変換してテレセントリックレンズに入射させ、該テレセントリックレンズの焦点面近傍に配置した参照平面及び被測定物体の表面からの反射光を前記テレセントリックレンズにより平行光束に変換し、前記走査ミラーで反射させた後に前記ビームスプリッタで前記レーザ光源からのレーザ光と分離し、結像レンズによって集光して前記テレセントリックレンズの焦点面と共役の位置に設置したピンホールを通過させ、該ピンホールを通過した光の光量を受光素子で計測する表面形状の測定方法であって、
前記レーザ光源からのレーザ光を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換してから前記走査ミラーに導き、
前記テレセントリックレンズを通過した前記合成光を構成する２つの光を偏光ビームスプリッタにより分離してその一方の光を前記参照平面、他方の光を前記被測定物体の表面に照射し、
前記参照平面からの反射光と前記被測定物体の表面からの反射光を前記偏光ビームスプリッタにより再び重ね合わせ、偏光板を通過させることにより前記参照平面からの反射光と前記被測定物体の表面からの反射光を干渉させることを特徴とする表面形状の測定方法。
【請求項２】
電気光学位相変調器を用いて、前記レーザ光源からのレーザ光を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換することを特徴とする請求項１記載の表面形状の測定方法。
【請求項３】
前記偏光板を通過させることにより前記参照平面からの反射光と前記被測定物体の表面からの反射光を干渉させることにより生じる干渉信号Ｓ（ｔ）は、
【数１】
（ここで、Ｚとθは前記電気光学位相変調器への印加電圧である角周波数ωｃの正弦波信号の振幅及び初期位相で決まる定数、Ｌ（ｔ）は前記参照平面と前記被測定物体からの反射光の伝搬距離の差、ｔは時間）で表わされ、この干渉信号Ｓ（ｔ）を受光素子で検出して位相α（ｔ）を求めることを特徴とする請求項２記載の表面形状の測定方法。
【請求項４】
音響光学周波数変調器を用いて、前記レーザ光源からのレーザ光を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換することを特徴とする請求項１記載の表面形状の測定方法。
【請求項５】
前記偏光板を通過させることにより前記参照平面からの反射光と前記被測定物体の表面からの反射光を干渉させることにより生じる干渉信号Ｓ（ｔ）は、
【数２】
（ここで、前記音響光学周波数変調器への印加電圧は角周波数ωｃの正弦波信号、Ｌ（ｔ）は前記参照平面と前記被測定物体からの反射光の伝搬距離の差、ｔは時間）で表わされ、この干渉信号Ｓ（ｔ）を受光素子で検出して位相α（ｔ）を求めることを特徴とする請求項４記載の表面形状の測定方法。
【請求項６】
レーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光を平行光束とするコリメータレンズと、この平行光束を偏光方向が互いに直交し位相が異なる２つの光の合成光に変換する位相変調直交偏光発生装置と、この合成光を走査光に変換する走査ミラーと、この走査光を集光するテレセントリックレンズと、このテレセントリックレンズを通過した前記合成光を構成する２つの光を分離してその一方の光を参照平面、他方の光を被測定物体の表面に照射するとともに前記参照平面からの反射光と前記被測定物体の表面からの反射光を再び重ね合わせる偏光ビームスプリッタと、前記テレセントリックレンズを通過して前記走査ミラーで反射された前記２つの反射光を前記位相変調直交偏光発生装置からの合成光と分離するビームスプリッタと、前記２つの反射光を集光する結像レンズと、前記２つの反射光を干渉させる偏光板と、前記テレセントリックレンズの焦点面と共役の位置に設置されたピンホールと、このピンホールを通過した光の光量を計測する受光素子とを備えたことを特徴とする表面形状の測定装置。
【請求項７】
前記位相変調直交偏光発生装置は、電気光学位相変調器を備えたことを特徴とする請求項６記載の表面形状の測定装置。
【請求項８】
前記位相変調直交偏光発生装置は、音響光学周波数変調器を備えたことを特徴とする請求項６記載の表面形状の測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２４２３０４（Ｐ２０１１−２４２３０４Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１５７５８（Ｐ２０１０−１１５７５８）
【出願日】平成２２年５月１９日（２０１０．５．１９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り Ｏｐｔｉｃｓ ＆ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｊａｐａｎ ２００９ 講演予稿集 社団法人応用物理学会分科会 日本光学会 ２００９年１１月２４日発行
【出願人】（３０４０２７２７９）国立大学法人 新潟大学 (310)
【出願人】（３０３０３５７０９）株式会社オプセル (24)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１９日（２０１０．５．１９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り Ｏｐｔｉｃｓ ＆ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｊａｐａｎ ２００９ 講演予稿集 社団法人応用物理学会分科会 日本光学会 ２００９年１１月２４日発行
【出願人】（３０４０２７２７９）国立大学法人 新潟大学 (310)
【出願人】（３０３０３５７０９）株式会社オプセル (24)
【Ｆターム（参考）】
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