JPH04297807A - 位相シフトマイクロフィゾー干渉計 - 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】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【０００７】また、請求項２記載の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
たことを特徴とする。

【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、より高精度の検出を行なう
ことができる。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００１６】

【数２】 Ｉ（ｘ，ｙ，Δφ）＝ａ（ｘ，ｙ）＋ｂ（ｘ，ｙ）ｃｏ
ｓ｛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。

【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。

【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。

【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＝φ
２−φ１＝２πＬΔλ／λ１２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。

【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．
８２５ｍＡ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。

【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。

【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。

【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、
しかも精度良く行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【符号の説明】

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

Claims (2)

【特許請求の範囲】
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、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位
   相シフトマイクロフィゾー干渉計。
2. 【請求項２】　　請求項１記載の干渉計において、半導
   体レーザの温度調整手段を設けたことを特徴とする位相
   シフトマイクロフィゾー干渉計。