JP2000241114A - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の焦点検出装置を用いて被検物体の表
面形状を測定するためには、集光された光スポットを静
止した被検物体表面全体にわたって走査させる必要があ
る。従来、被検物体上に集光された光スポット即ち計測
点スポットが１点のため、被検物体全体の計測に長時間
かかってしまうという問題があった。 【解決手段】本発明の表面形状測定装置は、被検物体上
の２点以上に同時に光を照射するための照射部と、被検
物体上の各照射点からの各反射光を同時に検出するため
の検出部とを具え、検出部に各反射光を入射させるため
の基板上に形成された各チャネル導波路を具える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路を用いた
表面形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信、光計測の分野で光導波路
が注目されている。その理由は光導波路を用いることに
よって光学系の小型、軽量化を図ることができ、また、
光軸の調整が不要になるという利点を有しているからで
ある。光導波路を利用した計測器の一つとして、特開平
６−３３１８４１号公報に焦点検出装置の技術が開示さ
れている。特開平６−３３１８４１号公報には、図３の
ように光導波路としてダブルモード導波路が用いられて
いる。

【０００３】ダブルモード導波路にレーザ光を入射させ
ると、入射レーザ光の振幅分布に対応して導波路内に０
次モードと１次モードが励振される。これら２つのモー
ドは導波路内で干渉し、全体としての光強度分布に非対
称性が生じる。ここで、導波路内の光強度分布の非対称
性をもたらすものとして２つの要素がある。ひとつは入
射レーザ光の強度分布に非対称性がある場合であり、も
うひとつは入射レーザ光の位相に非対称性がある場合で
ある。ダブルモード領域の長さを適当に選べば、いずれ
の場合の非対称性も良く検出できる（Ｈ．Ｏｏｋｉ ａ
ｎｄ Ｊ．Ｉｗａｓａｋｉ，Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕ
ｎｉｃａｔｉｏｎｓ ８５（１９９１）１７７）。

【０００４】このダブルモード導波路におけるモード干
渉を利用して入射レーザ光の光軸方向の変位（焦点位置
ずれ）を検出する。レーザスポットの入射位置は、ダブ
ルモード導波路の中心からわずかにシフトした位置に来
るよう調整されている。レーザスポットが焦点位置にあ
るときには入射位置に於ける光の等位相面は傾きを持た
ないが（図４（ｂ））、レーザスポットが焦点位置から
ずれている場合には、光の等位相面に傾きが生じ（図４
（ａ）、（ｂ））、これによる位相分布の非対称性を検
出することによって焦点位置ずれを検出する。

【０００５】図３において、光源１０１から発せられた
光はコリメータレンズ１０２で平行光とされた後、ハー
フミラー１０３で反射して、対物レンズ１０４によって
被検物体１０５上の１点に集光照射される。被検物体１
０５上で反射した光は再び対物レンズ１０４を通り、ハ
ーフミラー１０３を透過して、集光レンズ１０６によっ
て基板１１０上に形成されたダブルモード導波路１１１
の入射位置１０７に集光される。入射位置１０７はダブ
ルモード導波路１１１の中心から横方向にわずかにシフ
トした位置にある。

【０００６】ダブルモード導波路１１１は長さＬの位置
で２つの導波路１１２、１１３に分岐する。導波路１１
２、１１３からの出射光を光検出器１１４、１１５で検
出し、差動増幅器１１６で差動信号をとれば、図５に示
すようにその差動信号がフォーカスエラー（焦点位置ず
れ量）と一定の関係を持つので、予め、差動信号とフォ
ーカスエラーとの関係を他の方法で測って図５の関係を
得ておく。この図５を用い、測定された差動信号の大き
さからフォーカスエラー信号１１７が得られ、被検物体
１０５の焦点位置ずれ量を知ることができるのである。

【０００７】図３の従来例ではダブルモード導波路の長
さＬは、完全結合長（０次モードと１次モードの位相差
がπとなる長さ）をＬc としたとき、物体の位相分布を
観察する条件である Ｌ＝Ｌc （２ｍ＋１）／２ （ｍ＝０，１，２，・・・） （１） とされている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】特開平６−３３１８４
１号公報に記載されている図３の焦点検出装置を用いて
被検物体の表面形状を測定するためには、集光された光
スポットを静止した被検物体表面全体にわたって走査さ
せるか、あるいは被検物体を静止した光スポットに対し
て走査させる必要がある。この場合、被検物体上に集光
された光スポット即ち計測点スポットが１点のため、被
検物体全体の計測に長時間かかってしまうという問題が
あった。一例として６〜８インチのウェハの平面形状を
測るのに数分から数十分かかっていた。

【０００９】本発明は以上の問題を解決した、短時間で
表面形状を測定可能で、且つ安価な表面形状測定装置を
提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本発明は第一に、「被検物体上の２点以上に同時に
光を照射するための照射部と、前記被検物体上の各照射
点からの各反射光を同時に検出するための検出部とを具
え、前記検出部が、前記検出のために前記各反射光を入
射させるための基板上に形成された各チャネル導波路を
具えることを特徴とする表面形状測定装置（請求項
１）」を提供する。

【００１１】本発明は、表面形状測定装置において、被
検物体に対して、光スポットをマルチスポット照射し、
検出側の導波路もアレイ状に複数配置する。このように
して、多点を同時に計測することによって計測時間の短
縮を図った発明である。第二に、「前記各チャネル導波
路は、ダブルモード導波路と、前記ダブルモード導波路
から分岐された２本の導波路とを具え、さらに前記検出
部は、前記各チャネル導波路毎に、前記２本の導波路を
伝搬する光を検出するための各検出素子を前記２本の導
波路の各端部に具えることを特徴とする請求項１記載の
表面形状測定装置（請求項２）」を提供する。

【００１２】第三に、「前記反射光が、前記ダブルモー
ド導波路の中心からわずかにシフトした位置に集光され
るよう調整され、前記ダブルモード導波路内の光強度分
布の非対称性を検出することによって前記被検物体の表
面形状を測定することを特徴とする請求項２記載の表面
形状測定装置（請求項３）」を提供する。第四に、「前
記ダブルモード導波路の長さをＬとし、前記ダブルモー
ド導波路における０次モードと１次モードとの間の完全
結合長をＬc とするとき、 Ｌ＝Ｌc （２ｍ＋１）／２ （ｍ＝０，１，２，・・・
の正整数） を満たすことを特徴とする請求項２〜３何れか１項記載
の表面形状測定装置（請求項４）」を提供する。

【００１３】第五に、「前記ダブルモード導波路の少な
くともコアー部分が、電気光学効果、または熱光学効果
を呈する材料から成り、更に、前記ダブルモード導波路
に電圧を印加するための電極を両側方に具え、前記ダブ
ルモード導波路の長さをＬとし、前記両電極間に電圧を
印加しないときの前記ダブルモード導波路における０次
モードと１次モードとの間の完全結合長をＬc １とし、
適当な電圧を印加したときの完全結合長をＬc １とは異
なるＬc とするとき、 Ｌ＝Ｌc （２ｍ＋１）／２ （ｍ＝０，１，２，・・・
の正整数） を満たすことを特徴とする請求項２〜３何れか１項記載
の表面形状測定装置。以上の部分には、検討終了後に請
求項を入れます（請求項５）」を提供する。

【００１４】

【発明の実施の形態】［実施の形態１］図１に本発明の
実施の形態１による表面形状測定装置の概略構成図を示
す。図１に於いて、１は光源、２はコリメータレンズ、
３はハーフミラーアレイ、４は対物レンズアレイ、５は
被検物体、６は集光レンズアレイ、８はダブルモード導
波路アレイ、１３、１４は各々が導波路、１０は導波路
が形成されている基板、１００は光検出器アレイ、９は
複数の差動増幅器である。ハーフミラーアレイ３は、被
検物体５に照射する光スポットの数以上の、直線状に並
んだハーフミラー７から構成されている。ハーフミラー
７は、光学薄膜、等を具え、入射光を反射光と透過光と
に分離する。対物レンズアレイ４は、被検物体５に照射
する光スポットの数以上の、直線状に並んだ複数の対物
レンズから構成されている。集光レンズアレイ６は、被
検物体５に照射する光スポットの数以上の、直線状に並
んだ複数の集光レンズから構成されている。ダブルモー
ド導波路アレイ８は、被検物体５に照射する光スポット
の数以上の、直線状に並んだ複数の対のダブルモード導
波路１２と導波路１３、１４から構成されている。光検
出器アレイ１００は、被検物体５に照射する光スポット
の数以上の、直線状に並んだ複数の対の光検出器１５、
１６から構成されている。複数の差動増幅器９は、被検
物体５に照射する光スポットの数以上の、直線状に並ん
だ複数の差動増幅器１７から構成されている。

【００１５】光源１から発せられた光はコリメータレン
ズ２で平行光とされた後、ハーフミラーアレイ３に入射
する。ハーフミラーアレイ３に入射した光は、ハーフミ
ラー７によりその一部が反射して対物レンズアレイに向
かい、その残りが隣のハーフミラーに向けて透過する。
この繰返しによって光源１から発せられた光はハーフミ
ラーの数だけ分割され、各ハーフミラーによって分割さ
れた各光は対物レンズアレイ４の各対物レンズによって
被検物体５上の複数の点上に同時に集光される。被検物
体５上複数の各点で反射した各反射光は再び対物レンズ
アレイ４の各対物レンズを通り、ハーフミラーアレイ３
の各ハーフミラー７を透過して、集光レンズアレイ６の
各集光レンズによって、基板１０上に形成されたダブル
モード導波路アレイ８の各ダブルモード導波路の各入射
端面２３の各入射位置１１に集光される。ここで、各入
射位置１１は、各ダブルモード導波路の中心から横方向
にわずかにシフトした位置に来るよう各々調整されてい
る。

【００１６】ここで僅かにシフトした位置の意味を図６
で説明する。図６は焦点位置ずれ量が零の場合に於ける
説明を示し、２１は集光レンズアレイを構成する一つの
集光レンズから集光する光線、２０は等位相面、Ｂはダ
ブルモード導波路１２に入射すべく集光・結像された光
スポット像の中心位置を示し、この中心位置を入射位置
１１と呼んでいる。この入射位置がＢの場合、集光・結
像された光スポット像の入射端面２３上に於ける２２の
部分が、ダブルモード導波路１２に入射する。入射位置
はダブルモード導波路１２の中心位置Ｃでは波面に傾き
が生じないため好ましくなく、逆に入射位置がダブルモ
ード導波路１２の中心位置からシフトし過ぎてＡの位置
まで来ると集光・結像された光スポット像がダブルモー
ド導波路１２の入射端面に全く掛からず、光が入射しな
くなるため好ましくない。入射位置は、ＡとＣとを含ま
ないＡとＣの間で一般に最大感度を得る位置に決定され
る。

【００１７】各ダブルモード導波路１２の各入射端面２
３に入射した各入射光は、各ダブルモード導波路１２を
モード干渉を起こしながら伝搬し、各入射端面２３から
Ｌの長さだけ伝搬したところで各入射光は各導波路１
３、１４に分岐する。一つのダブルモード導波路１２か
ら分岐して各導波路１３、１４を伝搬したあと各導波路
１３、１４を出射する各出射光は、各導波路１３、１４
の端に各々設けられた各光検出器１５、１６で検出さ
れ、差動増幅器１７で光検出器１５の出力と光検出器１
６の出力の差、即ち差動信号１８がとられる。この差動
信号１８は各ダブルモード導波路１２に対して同時に取
られる。

【００１８】各ダブルモード導波路１２の長さＬは、完
全結合長（ダブルモード導波路の伝搬モードの０次モー
ドと１次モードの位相差がπとなる長さ）をＬc とする
と、物体の位相分布を観察する条件である Ｌ＝Ｌc （２ｍ＋１）／２ （ｍ＝０，１，２，・・・） （１） により与えられる。

【００１９】従来例で説明したように、図５の関係よ
り、差動信号１８から被検物体５への照射光の集光点の
フォーカスエラー（焦点位置ずれ量）を知ることがで
き、焦点位置ずれ量は照射光の集光点の変位に対応す
る。従って被検物体を走査することによって被検物体の
表面形状を測定することができる。従来例のような光ス
ポットが１点の表面形状測定装置では被検物体５面全体
をただ１点の光スポットで走査しなければならないのに
対して、本実施の形態１の表面形状測定装置では同時に
多点の計測が行えるので、被検物体５面全体を計測する
ために、多点の光スポットで被検物体５面の各部分を分
担して走査すれば良い。従って、計測時間が大幅に短縮
できる。 ［実施の形態２］本発明による実施の形態２の表面形状
測定装置を図２に示す。

【００２０】図２で１は光源、２１は分岐導波路、２０
は分岐導波路２１が形成された基板、３０はコリメータ
レンズアレイ、３１はハーフミラー、４は対物レンズア
レイ、５は被検物体、２６は集光レンズアレイ、８はダ
ブルモード導波路アレイ、１２はダブルモード導波路、
１３、１４は各々が導波路、１０は導波路が形成されて
いる基板、１００は光検出器アレイ、９は複数の差動増
幅器である。

【００２１】分岐導波路２１は、被検物体５に照射する
光スポットの数以上の、複数の出射端を有し、これら複
数の出射端の像をコリメータレンズアレイ２２とハーフ
ミラー２３と対物レンズアレイ２４とによって複数の光
スポットとして被検物体５上に結像する。ここで、分岐
導波路２１は、シングルモード導波路であることが好ま
しい。ハーフミラー２３は、光学薄膜、等を具え、入射
光を反射光と透過光（透過光は図示されない）とに分離
する。ダブルモード導波路アレイ８は、被検物体５に照
射する光スポットの数以上の、直線状に並んだ複数の対
のダブルモード導波路１２と分岐導波路１３、１４から
構成されている。光検出器アレイ１００は、被検物体５
に照射する光スポットの数以上の、直線状に並んだ複数
の対の光検出器１５、１６から構成されている。複数の
差動増幅器９は、被検物体５に照射する光スポットの数
以上の、直線状に並んだ複数の差動増幅器１７から構成
されている。

【００２２】光源１から発せられた光は基板２０上に形
成された分岐導波路２１に入射し、複数の導波路に分岐
された後に複数の導波路端面（出射端）から出射され
る。出射された光はコリメータレンズ２２で平行光とな
った後、ハーフミラー２３で反射され、対物レンズ２４
によって被検物体５上に複数の光スポットとなって集光
される。被検物体５上の複数の点で反射した光は再び対
物レンズ４を通り、ハーフミラー２３を透過して、集光
レンズ２６によって、基板１０上に形成されたダブルモ
ード導波路アレイ１２の各入射端面２３の各入射位置１
１にに集光される。即ち複数の点が各々の入射端面上に
結像する。ここで、各入射端面２３に於ける入射位置１
１は、各ダブルモード導波路の中心から横方向にわずか
にシフトした位置に来るよう各々調整されている。横方
向にわずかにシフトした位置の意味は実施の形態１の場
合と全く同様である。各ダブルモード導波路１２の各入
射位置１１に入射した各入射光は、各ダブルモード導波
路１２をモード干渉を起こしながら伝搬し、各入射端面
２３からＬの長さだけ伝搬したところで各入射光は各導
波路１３、１４に分岐する。一つのダブルモード導波路
１２から分岐して各導波路１３、１４を伝搬したあと各
導波路１３、１４を出射する各出射光は、各導波路１
３、１４の端に各々設けられた各光検出器１５、１６で
検出され、差動増幅器１７で光検出器１５の出力と光検
出器１６の出力の差、即ち差動信号１８がとられる。こ
の差動信号１８は各ダブルモード導波路１２に対して同
時に取られる。

【００２３】各ダブルモード導波路１２の長さＬは、実
施の形態１の場合と全く同様に完全結合長（ダブルモー
ド導波路の伝搬モードの０次モードと１次モードの位相
差がπとなる長さ）をＬc とすると、物体の位相分布を
観察する条件である Ｌ＝Ｌc （２ｍ＋１）／２ （ｍ＝０，１，２，・・・） （１） により与えられる。

【００２４】実施の形態１で説明したように、図５の関
係より、差動信号１８から被検物体５への照射光の集光
点のフォーカスエラー（焦点位置ずれ量）を知ることが
でき、焦点位置ずれ量は照射光の集光点の変位に対応す
る。従って被検物体を走査することによって被検物体の
表面形状を測定することができる。従来例のような光ス
ポットが１点の表面形状測定装置では被検物体５面全体
をただ１点の光スポットで走査しなければならないのに
対して、本実施の形態２の表面形状測定装置では同時に
多点の計測が行えるので、被検物体５面全体を計測する
ために、多点の光スポットで被検物体５面の各部分領域
を分担して走査すれば良い。従って、計測時間も大幅に
短縮できる。

【００２５】実施の形態１、実施の形態２では検出部と
してダブルモード導波路を用いた例を示したが、特開平
７−１３９９０８に開示されたような、導波路型干渉計
をアレイ状に複数配置した検出部を具えた表面形状測定
装置も本発明の範囲に含まれる。 ［実施の形態３］図７は本実施の形態を説明する図であ
る。簡単のためにダブルモード導波路と二つの導波路の
対を一つのみ示したが、これらは実施の形態１、２に示
されたダブルモード導波路アレイの全てのダブルモード
導波路に適用され、全体の概略構成は、電極部分を除け
ば実施の形態１、２と同じである。

【００２６】図７で２３は入射端面、１１は光スポット
像の入射位置、１２はダブルモード導波路で、少なくと
もコアーの部分が電気光学効果を有するニオブ酸リチウ
ムのような材料から形成されている。２４、２５は電
極、２６、２７は電極２４、２５間に電圧を与えるため
に電源に接続されている。１３、１４は分岐された二つ
の導波路、１５、１６は各光検出器である。

【００２７】ここで、ダブルモード導波路の長さをＬと
し、前記両電極間に電圧を印加しないときの前記ダブル
モード導波路における０次モードと１次モードとの間の
完全結合長がＬc １であり、 Ｌ≠Ｌc １（２ｍ＋１）／２ （ｍ＝０，１，２，・・
・の正整数） となっている。ここで、適当な電圧を印加すると、導波
路は電気光学材料から形成されているので、電圧印加に
よって屈折率が変化する。その結果、今、完全結合長が
Ｌc １とは異なるＬc へ変化したとする。このようにし
て、 Ｌ＝Ｌc （２ｍ＋１）／２ （ｍ＝０，１，２，・・・
の正整数） の関係を満たすようにすることができるのである。

【００２８】この実施の形態３は、ダブルモード導波路
の長さＬと完全結合長Ｌc との関係式（１）を充たすよ
うに容易に調整できる表面形状測定装置を提供する。以
上、ダブルモード導波路のコアーの部分を電気光学効果
を有する材料で形成したが、コア─の部分を熱光学効果
を有する材料で形成しても良い。この材料としては、通
常の光学硝子が好ましいが、ゲルマニウムをド─プした
硝子、特にゲルマニウムをド─プしたＳｉＯ硝子がより
好ましい。熱光学効果を有する材料を用いた場合は、電
極２４、２５に換えてヒ─タを用いる。

【００２９】以上、実施形態１、実施形態２、実施形態
３によって本発明を説明したが、本発明によれば、被検
物体の表面形状測定を従来の装置よりも高速で行うこと
ができる。更に、実施形態３によれば、ダブルモード導
波路の長さと完全結合長との関係を容易に調整できる。

【００３０】

【発明の効果】被検物体上の複数の点を同時に測定でき
るので、表面形状測定を従来の装置よりも高速で行うこ
とができる。更に、実施形態３によれば、ダブルモード
導波路の長さと完全結合長との関係を容易に調整でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１による表面形状測定装置の概略構
成図。

【図２】実施の形態２による表面形状測定装置の概略構
成図。

【図３】従来例による焦点検出および変位検出装置の概
略構成図。

【図４】従来例による焦点検出および変位検出装置の原
理説明図。

【図５】従来例による焦点検出および変位検出装置の差
動信号とフォーカスエラー信号との関係。

【図６】ダブルモード導波路の中心から横方向にわずか
にシフトした入射位置の意味の説明図。

【図７】実施の形態３を説明する図。

【符号の説明】 １ 光源 ２ コリメータレンズ ３ ハーフミラーアレイ ４ 対物レンズアレイ ５ 被検物体 ６ 集光レンズアレイ ７ ハーフミラー ８ ダブルモード導波路アレイ ９ 複数の差動増幅器 １０ 基板 １１ 入射位置 １２ ダブルモード導波路 １３ 導波路 １４ 導波路 １５ 光検出器 １６ 光検出器 １７ 差動増幅器 １８ 差動信号 ２０ 等位相面 ２１ 光線 ２２ 集光・結像された光スポット像のダブルモード導
波路に入射する部分 ２３ 入射端面 ２４ 電極 ２５ 電極 ２６ 電源に接続されている端子 ２７ 電源に接続されている端子 ３０ コリメータレンズアレイ ３１ ハーフミラー １００光検出器アレイ Ａ ダブルモード導波路に光が入らない入射位置を示
す Ｂ 光スポット像の入射位置を示す Ｃ ダブルモード導波路の中心位置を示す

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被検物体上の２点以上に同時に光を照射す
   るための照射部と、前記被検物体上の各照射点からの各
   反射光を同時に検出するための検出部とを具え、前記検
   出部が、前記検出のために前記各反射光を入射させるた
   めの基板上に形成された各チャネル導波路を具えること
   を特徴とする表面形状測定装置。
2. 【請求項２】前記各チャネル導波路は、ダブルモード導
   波路と、前記ダブルモード導波路から分岐された２本の
   導波路とを具え、さらに前記検出部は、前記各チャネル
   導波路毎に、前記２本の導波路を伝搬する光を検出する
   ための各検出素子を前記２本の導波路の各端部に具える
   ことを特徴とする請求項１記載の表面形状測定装置。
3. 【請求項３】前記反射光が、前記ダブルモード導波路の
   中心からわずかにシフトした位置に集光されるよう調整
   され、前記ダブルモード導波路内の光強度分布の非対称
   性を検出することによって前記被検物体の表面形状を測
   定することを特徴とする請求項２記載の表面形状測定装
   置。
4. 【請求項４】前記ダブルモード導波路の長さをＬとし、
   前記ダブルモード導波路における０次モードと１次モー
   ドとの間の完全結合長をＬc とするとき、 Ｌ＝Ｌc （２ｍ＋１）／２ （ｍ＝０，１，２，・・・
   の正整数） を満たすことを特徴とする請求項２〜３何れか１項記載
   の表面形状測定装置。
5. 【請求項５】前記ダブルモード導波路の少なくともコア
   ー部分が、電気光学効果、または熱光学効果を呈する材
   料から成り、更に、前記ダブルモード導波路に電圧を印
   加するための電極を両側方に具え、前記ダブルモード導
   波路の長さをＬとし、前記両電極間に電圧を印加しない
   ときの前記ダブルモード導波路における０次モードと１
   次モードとの間の完全結合長をＬc １とし、適当な電圧
   を印加したときの完全結合長をＬc １とは異なるＬc と
   するとき、 Ｌ＝Ｌc （２ｍ＋１）／２ （ｍ＝０，１，２，・・・
   の正整数） を満たすことを特徴とする請求項２〜３何れか１項記載
   の表面形状測定装置。