JPH0694998A

JPH0694998A - コンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡

Info

Publication number: JPH0694998A
Application number: JP4244634A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shionoya; 孝塩野谷; Jun Iwasaki; 純岩崎; Yasushi Oki; 裕史大木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-09-14
Filing date: 1992-09-14
Publication date: 1994-04-08

Abstract

(57)【要約】【目的】被検物体の段差の高低差を定量的に測定できる
コンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡を提供する。【構成】被検物体上に、順に配列された第１、第２、第
３の３つの光スポットを照射し、前記３つの光スポット
のうち第２の光スポットの反射光から、ダブルモード導
波路中に偶・奇モードを励起して、偶・奇モードの干渉
を用いて、被検物体の第２の光スポットが照射された領
域の微分情報を得る。また、３つの光スポットのうち第
１、第３の光スポットの反射光を干渉させ、位相差を求
めることにより、被検物体の前記第１、第３の光スポッ
トが照射された領域間の高低差を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コンフォーカルレーザ
走査顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のコンフォーカルレーザ走査微分干
渉顕微鏡については、例えば、OPTICS COMMUNICATION 1
st September 1991 No.2,3 Vol.85 pp177-182に記載さ
れている。従来のコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕
微鏡は、図２に示すように、レーザ光源１０１と、ハー
フミラー１０２と、集光光学系１０４とを備え、レーザ
光を集光して被検物体１０５上に照射する。被検物体１
０５からの反射光を検出する手段として、チャネル導波
路が形成された電気光学効果を有する基板１０６を備え
ている。該チャネル導波路は、検出面上に入射端面を持
つダブルモード導波路領域１０７と、ダブルモード導波
路１０７を２本のシングルモード導波路１０９，１１０
に分岐させる導波路分岐領域１０８とを有し、さらに分
岐された２本のシングルモード導波路１０９，１１０を
伝搬する光を各々検出する２つの光検出素子１１１，１
１２を有する。ダブルモード導波路領域１０７の基板表
面には、電極１１４が設けられている。

【０００３】被検物体１０５のレーザスポットで照明さ
れた部分に、傾きまたは反射率の勾配があると、チャネ
ル導波路１０７の入射端に結像したレーザスポットの位
相分布または強度分布に傾斜が生じ、この傾斜により前
記ダブルモード導波路領域１０７に２つのモード（基本
モードと１次モード）が励振され、両モードの干渉によ
り前記２つの光検出素子１１１，１１２による信号１１
３から被検物体１０５の微小な段差（位相情報）または
反射率変化（振幅情報）を検知することができる。ここ
で、ダブルモード導波路７の完全結合長（基本モードと
１次モードの位相差がπとなる長さ）をＬcとし、ダブ
ルモード領域の長さＬとすると、Ｌ＝Ｌc（２ｍ＋１）（ｍ＝０，１，２，…）となるとき、被検物体の段差による反射光の位相分布が
検出され、Ｌ＝ｍＬc （ｍ＝１，２，…）となるとき、被検物体の透過率や反射率等の分布による
反射光の強度分布が検出され、この構成は微分干渉系と
なる。

【０００４】このように、光検出手段として導波路デバ
イスを用いることにより被検物体の位相情報と振幅情報
とを独立に得ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来のコンフォーカルレーザ走査顕微鏡の構成におい
て、被検物体の段差による反射光の位相分布の情報につ
いて、微分情報を得ることは可能であるが、段差の高低
差を定量的に測定することができなかった。

【０００６】そこで、本発明は、被検物体の段差の高低
差を定量的に測定できるコンフォーカルレーザ走査微分
干渉顕微鏡を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的のため本発明で
は、導波路デバイスを用いて微分干渉像を得て、同時に
別の導波路デバイスで構成した干渉計により段差の測定
を行うものである。

【０００８】すなわち、被検物体上に、光スポットを照
射する照明光学系と、前記光スポットを前記被検物体に
対して相対的に移動させる走査手段と、前記光スポット
についての前記被検物体からの反射光を検出する検出光
学系とを有するコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微
鏡であって、前記照明光学系は、前記被検物体上に、順
に配列された第１、第２、第３の３つの光スポットを照
射し、前記検出光学系は、前記３つの光スポットのうち
第２の光スポットの反射光から、前記被検物体の第２の
光スポットが照射された領域の微分情報を得る第１の検
出光学系と、前記３つの光スポットのうち第１、第３の
光スポットの反射光から、前記被検物体の前記第１、第
３の光スポットが照射された領域間の段差情報を得る第
２の検出光学系とを有し、前記第１の検出光学系は、前
記第２の光スポットの反射光の光路上に入射端を有する
ダブルモード導波路部と、前記ダブルモード導波路を伝
搬した光を２つに分岐するための分岐部と、前記分岐部
で分岐された２つの光をそれぞれ導波して出射する２本
の導波路部とを備えた第１の導波路光学系と、第１の導
波路光学系の２本の導波路部の出射端にそれぞれ配置さ
れて、出射光の強度を検出する第１および第２の検出手
段と、前記第１の検出手段の検出信号と第２の検出手段
の検出信号との差を求める差分演算手段とを有し、前記
第２の検出光学系は、前記第１、第３の２つの光スポッ
トの反射光の光路上にそれぞれ入射端を有する２本のシ
ングルモードの導波路部と、前記２本のシングルモード
導波路部を伝搬した光を合波するための合波部と、前記
合波部の合波した光を導波して出射する１本のシングル
モード導波路部とを備えた第２の導波路光学系と、前記
第２の導波路光学系の１本のシングルモード導波路部の
出射端に配置されて、出射光の強度を検出する第３の検
出手段とを有することを特徴とするコンフォーカルレー
ザ走査微分干渉顕微鏡が提供される。

【０００９】

【作用】本発明のコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕
微鏡において、第１の検出光学系は、３つの光スポット
のうち第２の光スポットの反射光から、前記被検物体の
第２の光スポットが照射された領域の微分情報を得る。

【００１０】まず、微分情報が得られる原理について、
概要を説明する。照明光学系による被検物体上の３つの
スポット像のうち、真中の１つのスポット像の反射光の
光路上に、第１の検出光学系の第１の導波路光学系のダ
ブルモードチャネル導波路部の中心が一致するように配
置される。導波路の幅方向のスポット像振幅分布がスポ
ット中心を原点としたとき、偶関数であればダブルモー
ド導波路内には偶モードしか励振されない。それ以外の
場合は偶・奇両モードが励振される。

【００１１】ここでダブルモード領域に続いて２つのチ
ャネル導波路に分岐する導波路分岐を設けておけば、偶
モードのみ励振された場合は、２つの分岐に等量の光が
分配され、それ以外の場合は偶モードと奇モードの干渉
が生じるため２つの受光面に分配される光量は一般に等
しくない。

【００１２】一般に被検物体のダブルモードチャネル導
波路入射口に対する傾斜、すなわち物理的な傾斜は勿
論、屈折率傾斜など光路長を変化させるすべての傾斜及
び、光透過率分布又は光反射率分布の傾斜があると、ス
ポット像の振幅分布は奇関数成分をもつようになり、こ
のときダブルモード導波路内に偶・奇両モードが励振さ
れその結果２つの分岐に分配される光量が等しくなくな
る。従って、２つの受光面の光量を光検出器で電気信号
に変換し、それらの差分信号を検出することによって被
検物体の微視的な傾斜を検出できることになる。

【００１３】いま検出物のダブルモード導波路の入射口
に対する傾き角をθとし、ｓｉｎθ＝αとする。傾きθ
の場合のスポット振幅分布をｕ（ｘ）、ダブルモード導
波路の固有電界分布を偶・奇両モードについてそれぞれ
ｆｅ（ｘ），ｆｏ（ｘ）とするとｕ（ｘ），ｆｅ（ｘ）
は偶関数、ｆｏ（ｘ）は奇関数である。傾きのあるとき
のスポット振幅分布ｕα（ｘ）はｋ＝２π／λ（λ＝波
長）としてｕα（ｘ）≒ｕ（ｘ）ｅｘｐ（ｉｋαｘ）＝ｕ（ｘ）［ｃｏｓ（ｋαｘ）＋ｉｓｉｎ（ｋαｘ）］（１）と表される。

【００１４】ここで偶モードの励振効率η_eは、

【００１５】

【数１】

【００１６】となり、一方奇モードの数励振効率η
_oは、

【００１７】

【数２】

【００１８】となる。積分範囲を適当に選び、この範囲
で｜ｋαｘ｜≪２πならば、ｃｏｓ（ｋαｘ）≒１，ｓｉｎ（ｋαｘ）≒ｋαｘとなるから、ｕ（ｘ），ｆｏ（ｘ），ｆｅ（ｘ）が一定
の関数であることより、 η_e≒一定 η_o∝ｉα （４）となることがわかる。偶モードと奇モードの干渉による
光強度変化はＣ₁，Ｃ₂を実定数とし、φをダブルモード
導波路の出射口に於ける偶・奇両モードの位相差とすれ
ばＩ∝｜η_e±ｉη_oｅｘｐ｛ｉφ｝｜²＝｜Ｃ₁±ｉαＣ₂ｅｘｐ｛ｉφ｝｜^２（５）よって、ｅｘｐ｛ｉφ｝＝±ｉにとれば（５）はおおむ
ねＩ＝Ｃ_１ ^２±２αＣ₁Ｃ₂ （６）となってαに比例した強度変化が得られ、いわゆる微分
像を得ることができる。従って、このような微分像を得
るためには、ダブルモード導波路の分岐点部に於て、両
モード間に９０°の奇数倍の位相差がもたらされること
が必要である。このために、前記ダブルモード導波路の
入射口から出射口までの長さＬは両モードのよく知られ
た完全結合長（偶・奇モードの位相差が１８０°となる
長さ）をＬ_C とした場合Ｌ＝Ｌ_C（２ｍ＋１）／２（ｍ＝０，１，２，・・・）（７）とするのが好ましい。

【００１９】尚、（１）式は物体の傾斜を考えているか
ら、位相物体を想定していることになる。

【００２０】基板が電気光学効果をもつ場合には、ダブ
ルモード領域上に配置された電極を介してこの領域に電
圧を印加することにより、完全結合長Ｌｃを変化させる
ことができる。従って、ダブルモード領域の長さが
（７）式を満たしていない一定値Ｌであっても電圧の調
整により、上記（７）式を満たすことが可能である。し
たがって、ダブルモード領域の機械的な長さを一定とし
つつ、電気光学効果を利用して電圧を印加することによ
り、物体の位相情報を得ることが可能である。

【００２１】すなわち、チャネル導波路のダブルモード
領域上に配置された電極に電圧を印加することにより、
ダブルモード領域における完全結合長Ｌｃを異なる完全
結合料Ｌｃ₂に変化させ、ダブルモード領域の一定の長
さＬに対して、Ｌ≒Ｌｃ₂（２ｍ＋１）／２（ｍ＝０，１，２，・
・・）が成立する構造とすることにより、Ｌｃ₂の場合に、上
記（７）式のごとく物体の位相情報を得ることができる
のである。

【００２２】また、第２の検出光学系は、３つの光スポ
ットのうち第１、第３の光スポットの反射光から、前記
被検物体の第１、第３の光スポットが照射された領域間
の高低差を得る。前述の３つのスポット像のうち、第
１、第３の２つのスポット像の反射光の光路上に２本の
別々のシングルモードチャネル導波路を配置する。それ
ぞれのシングルモード導波路を伝搬する光を分岐領域で
合波させると干渉する。第１、第３の２つの光スポット
の一方の光スポットについての、前記被検物体から前記
第２の検出光学系の合波部までの光路長と、他方の光ス
ポットのについての、前記被検物体から前記第２の検出
光学系の合波部までの光路長との差△Ｌがレーザ光源の
波長をλとして ΔＬ＝ｍλ （ｍ＝０，１，２，・・・）（８）であるとき分岐領域で合波して干渉した光の強度は最大
となる。光路の差ΔＬが（８）式のようにならない場合
は分岐領域で合波して干渉した光の強度は光路の差が
（８）式を満たす場合に比べ弱くなる。すなわち、２つ
のシングルモード導波路を伝搬する光の位相差Δφが Δφ＝２ｍπ （ｍ＝０，１，２，・・・）（９）の時は、分岐領域で合波して干渉した光の強度は最大に
なり、一方 Δφ＝（２ｍ＋１）π／２（ｍ＝０，１，２，・・・）（１０）の時は、分岐領域で合波して干渉した光の強度は、Δφ
が（９）式を満たすときの強度の半分になる。

【００２３】被検物体の２つの光スポットが形成されて
いる部分に被検物体表面の段差により高低差がある場合
は、高低差をｄとしたとき２ｄの光路の差が生じる。
（１０）式が満たされる場合、この光路の差により分岐
領域直前での２本のシングルモード導波路の位相差Δφ
1は Δφ1＝４πｄ／λ＋（２ｍ＋１）π／２（ｍ＝０，１，２，・・・）（１１）となる。

【００２４】物体面が平面で（９）式が満たされる場合
の光量をＰ_Iとしたとき、段差があり（１１）式が満た
される場合の光量Ｐ₀はＰ₀＝Ｐ_I sin²（Δφ1／２）（１２）と与えられる。したがって、第２の検出光学系の第３の
検出手段で、第２の導波路部から出射される光量Ｐ₀を
検出して、（１１）式に代入することにより、高低差ｄ
を定量的にえることができる。、また、測定した段差の
うちどちらが高くどちらが低くなっているかについて
は、前述した位相情報の微分像を得るときに得た差分信
号の符号から求めることができる。

【００２５】また、第２の検出光学系の第２の導波路の
基板が電気光学効果を持つ場合には、一方のシングルモ
ード導波路の導波路入射端から分岐領域の間に配置され
た電極を介して、この領域に電圧を印加することによ
り、導波路を伝搬する光の位相を変化させることができ
る。前述の光路差△Ｌが、（８）式を満たしていない場
合にも、電圧を変化させることにより分岐領域直前の２
つのシングルモード導波路を伝搬する光の位相差△φが
（９）式を満たすように調節することができる。

【００２６】

【実施例】本発明の一実施例のコンフォーカルレーザ走
査微分干渉顕微鏡を図１を用いて説明する。

【００２７】本実施例のコンフォーカルレーザ走査微分
干渉顕微鏡は、図１のように、半導体レーザ光源１と、
コリメータレンズ２と、回折格子３と、ハーフミラー４
と、対物レンズ６とを光路上に順に配置した照明光学系
を有している。照明光学系は、被検物体７上に３つの光
スポット８、９、１０を照射する。また、ハーフミラー
４と、対物レンズ６との間には、３つの光スポット８、
９、１０を前記被検物体に対して、相対的に移動させる
Ｘ−Ｙスキャニング装置５が配置されている。

【００２８】また、被検物体７からの反射光の光路上に
は、集光レンズ１１と、導波路が形成された電気光学効
果を有する基板１２とが配置されている。基板１２に
は、光スポット９の反射光の光路上に入射端を有するダ
ブルモード導波路１４と、ダブルモード導波路１４を伝
搬した光を２つに分岐するための分岐部２１と、分岐部
２１で分岐された２つの光をそれぞれ導波して出射する
２本の導波路波２５、２８とが連続して形成されてい
る。また、ダブルモード導波路１４上には、１組の電極
１７が形成されている。電極１７には、図示しない電源
が接続されている。

【００２９】また、基板１２には、さらに、両脇の２つ
の光スポット８、１０の反射光の光路上にそれぞれ入射
端を有する２本のシングルモードの導波路１３、１５
と、シングルモード導波路部１３を２つのシングルモー
ド導波路１９、２０に分岐する分岐部１８と、シングル
モード導波路部１５を２つのシングルモード導波路２
２、２４に分岐する分岐部２３と、２本のシングルモー
ド導波路２０、２２を伝搬した光を合波するための合波
部２７と、合波部２７の合波した光を導波して出射する
１本のシングルモード導波路２６とが連続して形成され
ている。また、シングルモード導波路１３上には、１組
の電極１６が形成されている。電極１６には、図示しな
い電源が接続されている。

【００３０】導波路２５、２６の出射端には、光検出器
３０、３２がそれぞれ配置されている。また、光検出器
３０、３２には、光検出器３０、３２が検出した信号の
差を求める差動回路３４が配置されている。差動回路３
４は、光スポット９が照射されている被検物体７の領域
の傾斜を求める。

【００３１】導波路２７の出射端には、光検出器３１が
配置されている。光検出器３１の出力は、被検物体上の
光スポット８の照射されている領域と、光スポット１０
の照射されている領域との間の高低差を表す。また、導
波路１９、２４の出射端には、光検出器２９、３３が配
置されている。光検出器２９、３３の出力は、アライメ
ントに用いられる。差動回路３４、光検出器３１、およ
び、光検出器２９、３３には、制御装置３６が接続され
ている。制御装置３６には、モニタ３７が接続されてい
る。

【００３２】本実施例では、基板１２としてｘカット、
ｚ伝搬のＬｉＮｂＯ₃を用い、導波路部をＴｉ拡散Ｌｉ
ＮｂＯ₃によって、チャネル状に形成している。分岐部
２１において、導波路２５と導波路２８とがなす角は、
１／１００ｒａｄとした。さらに、導波路２０が導波路
２５と交差する角度、および、導波路２２が導波路２８
と交差する角度は、クロストークが生じないように十分
大きい角度とした。

【００３３】つぎに、本実施例のコンフォーカルレーザ
走査微分干渉顕微鏡の動作について説明する。半導体レ
ーザ光源１を出た光はレンズ２でコリメートされ、回折
格子３で０次、１次、−１次回折光を発生させ、３本の
光束に分けられ、さらに３本の光束はハーフミラー４で
反射され、周知のＸ−Ｙ２次元スキャンニング手段５を
経て、対物レンズ６に入射し、物体面７に３つの光スポ
ット８、９、１０として集光される。光スポット８、１
０は段差の高低差の測定用であり、光スポット９は微分
干渉用である。物体面７で反射した後、再び対物レンズ
６及びＸ−Ｙスキャンニング手段５を経てハーフミラー
４を透過した光は、レンズ１１により電気光学効果を有
する基板１２上に形成されたダブルモード導波路１４お
よびシングルモード導波路１３、１５の入射端面が配置
された検出面上に、３つのスポットとして集光される。

【００３４】物体面７上の光スポット８からの反射光は
シングルモード導波路１５に入射する。光スポット９か
らの反射光はダブルモード導波路１４に入射し、光スポ
ット１０からの反射光はシングルモード導波路１３に入
射する。

【００３５】ダブルモード導波路１４は、基板上に電極
１７を有している。ダブルモード導波路１４中を伝搬し
た光はやがて分岐部２１に達し２本のチャネル導波路２
５、２８にパワーが分配され基板１２に接合された２つ
の光検出器３０、３２に至る。導波路２５はシングルモ
ード導波路２０と交差し、導波路２８はシングルモード
導波路２２と交差しているが、クロストークがないくら
いの十分大きな角度で交差している。ここでシングルモ
ード導波路１４の入射端がピンホールと同様の働きをす
るので、この構成はコンフォーカルレーザ走査顕微鏡を
構成する。ここで、ハーフミラー４と対物レンズ６とが
照明光学系を形成し、対物レンズ６、１１が集光光学系
を形成している。

【００３６】シングルモード導波路１３は、基板に電極
１６を配設したシングルモード導波路であり、シングル
モード導波路１３中を伝搬した光はやがて分岐部１８に
達し２本のシングルモード導波路１９、２０にパワーが
分配される。シングルモード導波路１９を伝搬した光
は、基板１２に接合された光検出器２９に至る。シング
ルモード導波路２０を伝搬した光は合波部２７に達し、
シングルモード導波路２２を伝搬する光と合波干渉し、
シングルモード導波路２６を伝搬した光は基板１２に接
合された光検出器３１に至る。

【００３７】同様にして、シングルモード導波路１５中
を伝搬した光はやがて分岐部２３に達し２本のシングル
モード導波路２２、２４にパワーが分配される。シング
ルモード導波路２４を伝搬した光は基板１２に接合され
た光検出器３３に至る。シングルモード導波路２２を伝
搬した光は合波部２７に達し、シングルモード導波路２
０を伝搬する光と合波干渉し、シングルモード導波路２
６を伝搬した光は基板１２に接合された光検出器３１に
至る。

【００３８】前述したように、光スポット９で照明され
た物体７上の領域に傾きがあった場合、シングルモード
導波路１４の入射端に結像した光スポットの位相分布に
傾斜が生じる。この傾斜によりダブルモード導波路１４
内に偶・奇両モードが励起され、両モードの干渉により
２つの検出器３０、３２に達する光パワーの比が変化す
る。差動回路３４は、２つの検出器３０、３２の出力の
差動信号を求めることにより、物体７の面上の微小な段
差等の傾斜を検知する。

【００３９】また、基板１２は電気光学効果を有してい
るので、電極１７に印加する電圧を変化させることによ
り、完全結合長Ｌｃを変化させることができる。電極１
７には、光学系セッティング時にダブルモード領域の長
さＬが、完全結合長をＬｃとして、Ｌ＝Ｌｃ（２ｍ＋１）／２（ｍ＝０，１，２，・・・）（１３）となるように、電圧を調節して印加する。

【００４０】また、基板１２は電気光学効果を有してい
るので電極１６に印加する電圧を変化させれば、シング
ルモード導波路２０を伝搬する光の位相を変化させるこ
とができる。本実施例では、光学系をセッティングする
際に、物体面７に段差のない平面をもちいて、電極１６
に印加する電圧を調整し、シングルモード導波路２０を
伝搬する光とシングルモード導波路２２を伝搬する光の
位相差Δφが Δφ＝（２ｍ＋１）π／２（ｍ＝０，１，２，・・・）（１０）となるようにする。この時、干渉により光検出器３１の
光の強度は、シングルモード導波路２０を伝搬する光と
シングルモード導波路２２を伝搬する光の位相差Δφが Δφ＝２ｍπ （ｍ＝０，１，２，・・・）（９）となったときの光量の半分になる。

【００４１】物体面７に図１のように段差があるものを
測定すると、光スポット８とシングルモード導波路１５
の入射端の間の光路長と、光スポット１０とシングルモ
ード導波路１３の入射端の間の光路長とに差ができ、そ
れは段差の高低差の２倍になる。光検出器３１での受光
量Ｐ₀は前述したとおり、物体面７の段差の高低差をｄ
とすると、段差による光路差により生じる位相差によ
り、位相差ΔφがΔφ＝２ｍπ （ｍ＝０，１，２，
・・・）の場合の光検出器３１での受光量をＰ_Iとし、
光源の波長をλとしたときＰ_O＝Ｐ_I sin²（２πｄ／λ＋（２ｍ＋１）π／４）（ｍ＝０，１，２，… ）（１２）となるので、検出器３１の光量Ｐ_Oから、段差の高低差
ｄが求められる。段差がどちらが高く、どちらが低いか
は差動信号３５の符号により判断する。

【００４２】また光スポット８、１０内に物体面７の表
面性状の荒れにより傾斜がある場合、シングルモード導
波路１３、１５がシングルモード導波路であるため物体
の傾斜によって生じた奇モードが消滅し光スポット内の
傾斜を平均化した値での段差の高低差が得られる。

【００４３】制御装置３６は、内蔵された記憶装置に、
差動信号３５および光検出器３１と、Ｘ−Ｙ２次元スキ
ャニング手段５から得た、被検物体７上における光スポ
ット９の位置とを対応させて記憶させる。そして、作動
信号３５と、光スポット９の位置から、微分干渉画像を
作成し、モニター３７に表示させる。また、段差の高低
差に関しては、モニター３７で段差位置を確認し、その
ビーム位置に対応させて記憶装置３６に記憶させた光検
出器３１の信号を読み出すことにより段差の高低差を表
示する。

【００４４】つぎに、基板１２に、分岐部１８、２１、
２３、合波部２７、導波路１３、１４、１５、１９、２
０、２２、２４、２５、２６、２８を形成する方法につ
いて説明する。まず、クラッドとなるｘカットＬｉＮｂ
Ｏ₃基板１２上に、３００オングストロームのＴｉ膜を
ＲＦスパッタにより形成する。このＴｉ膜をリソグラフ
ィ法により上記分岐部、合波部を備えた導波路の形状に
パターニングする。導波路の伝搬方向は、ｚ伝搬とす
る。パターニングしたＴｉ膜とＬｉＮｂＯ₃基板１２と
を、１０００℃で６時間熱処理して、ＴｉをＬｉＮｂＯ
₃基板１２中に拡散させて、コア部を形成する。本実施
例では、ダブルモード導波路部１４の幅を７μｍ、その
ほかの導波路の幅は４μｍとした。最後に、入射端と出
射端を研磨して完成させる。このとき、ダブルモード導
波路１４の長さＬは、上述の式（１３）を満たす長さと
なるように研磨をする。ただし、上述のように、本実施
例では、電極１７に印加する電圧を変化させることによ
り、完全結合長Ｌｃを変化させて、ダブルモード導波路
１４の長さＬが式（１３）を満たすように調節すること
ができる。したがって、研磨時のダブルモード導波路１
４の長さＬは、電極１７に電圧を印加することにより式
（１３）を満たすよう調節可能な範囲であればよい。

【００４５】また、シングルモード導波路１３の入射端
から合波部２７までの長さは、光学系のセッティング時
に、段差のない標準物体において、合波部２７における
光の位相差Δφが式（１０）を満たすようにする。ただ
し、上述のように、本実施例では、電極１６に印加する
電圧を変化させることにより、位相差Δφを変化させ
て、式（１０）を満たすように調節することができる。
したがって、研磨時のシングルモード導波路１３の長さ
Ｌは、電極１７に電圧を印加することにより式（１０）
を満たすよう調節可能な範囲であればよい。

【００４６】上述のように、実施例のコンフォーカルレ
ーザ走査微分干渉顕微鏡は、導波路を用いた新しい原理
に基づいて、複雑な光学素子を用いる必要なく、小型で
簡単な構成で、被検物体の段差の微分干渉像と、段差の
高低差を定量的に測定することが可能である。

【００４７】また、本実施例では、電気光学効果を有す
る基板１２を用いているので電圧印加により、検出に必
要な条件式（１０）および（１３）を満たすように調節
することができる。よって、導波路長の誤差や光学系セ
ッティング時の位置ずれを、電圧印加により容易に許容
することができる。したがって、導波路を有する基板１
２の導波路長と光学系セッティング時の位置ずれの許容
範囲を、広くすることができるので、高い歩留まりで安
価に製造することが可能である。

【００４８】上記の各実施例の構成において、チャネル
導波路を形成するための好適な材料の別な例について、
表１に示す。導波路のクラッド基板として、例えば、Ｓ
ｉ、ソーダガラス、パイレックス、溶融石英を用いるこ
とができる。これらは、電気光学効果を有さないが、検
出に必要な条件式（１０）および（１３）を満たすよう
に、導波路の長さや光学系の位置あわせを精密に行なう
ことによって、本実施例に用いることができる。また、
電気光学効果を有する材料（表１中において、＊印で示
す）として、ＬｉＴａＯ₃，ＧａＡｓ，ＩｎＰ等も用い
ることができる。これらの電気光学的効果に基づき電極
を形成することによって、ダブルモード導波路１４の完
全結合長Ｌ_Cや、合波部２７のにおける位相差Δφを変
えることが可能である。ＧａＡｓ，ＩｎＰではさらに、
光源１のレーザダイオードＬＤや光検出素子をモノリシ
ックに一体化することも可能である。基板にＳｉを用い
る場合には、受光素子を一体化することが可能である。
したがって、上記の実施例ではレーザ光源及び光検出器
は導波路デバイスに対して外付けとなっているが、ガリ
ウム砒素などの化合物半導体基板を用いて、光検出器を
導波路デバイスと同一基板上に構成することができ、装
置の小型・軽量・調整の省力化はさらに進めることがで
きる。ただし、レーザ光源や光検出器を導波路と一体的
に構成することが難しい場合には、これらを分離して配
置し、オプティカルファイバーやレンズ系によって光を
導く構成としても良い。また、ダブルモード導波路は近
接して配置された２本のシングルモード導波路で代用す
ることができる。これらを含め、本発明に用い得るチャ
ネル導波路を形成するための基板と導波層との材料につ
いて、それぞれ表１のように整理することができ、各材
料の特徴に基づいて適宜の材料を用いることが好まし
い。

【００４９】

【表１】

【００５０】ところで、上述した実施例は、対物レンズ
を照明光学系と集光光学系とに共用するもので、所謂落
射照明型の顕微鏡を構成しているが、本発明において
は、被検物体の一方の側に照明光学系を、他方の側に集
光光学系を配置した所謂透過型顕微鏡としても構成し得
ることはいうまでもない。

【００５１】また、光検出器からの２つの差動信号を処
理した信号に対して、適当な処理を加えることにより種
々のコントラストをもつ画像が得られることは言うまで
もない。

【００５２】尚、各実施例においては被検物体と光スポ
ットとを相対的に移動させる手段として、振動鏡や回転
ミラー等のＸ−Ｙ二次元スキャナーによって光スポット
を被検物体上で走査する構成としたが、逆に光スポット
を固定し、被検物体を載置するステージを走査する構成
とすることも可能である。振動鏡や回転ミラー等によっ
て光学系中の光束を振動させて光スポットを走査する場
合には、光学系の残存収差の影響により被検物体上の光
スポットと導波路の入射端に集光される光スポットとの
共役関係を厳密に維持できない恐れもあり、このような
場合にはステージの走査によることが望ましい。

【００５３】尚、上記実施例においては、ダブルモード
導波路１４に電圧を印加するための電極１７を導波路１
４に対して対称な２電極配置とし、シングルモード導波
路１３に電圧を印加するための電極１６を導波路１３に
対して対称な２電極配置としたが、用いられる基板の状
態（結晶基板であれば結晶軸の方向など）により、３電
極配置を使用することもできる。

【００５４】また、本実施例においては、微分情報を得
るための導波路１４、２５、２８と、段差の高低差の定
量的な情報を得るための導波路１３、１５、２２、２
０、２７とを、同一基板上に配置しているが、この形状
に限定されるものではなく、別々の基板上に配置するこ
とももちろん可能である。

【００５５】尚本実施例においては、シングルモード導
波路１３、１５を２つに分岐し、シングルモード導波路
１９、２４の出力をアライメントに用いる構成とした
が、アライメント用のシングルモード導波路１９、２４
の出力が必要ない場合には、シングルモード導波路１
３、１５を２つに分岐する必要はない。

【００５６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、特別な対
物レンズもノマルスキープリズムや波長板等の格別の光
学素子も必要なく、導波路を用いた新しい原理に基づい
た小型で簡単な構成でありながら、被検物体の段差の微
分情報と、段差の高低差の定量測定とを同時に行なうこ
とができるコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のコンフォーカルレーザ走
査微分干渉顕微鏡の構成を示す説明図。

【図２】従来のコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕
微鏡の構成を示す説明図。

【符号の説明】

１…レーザ光源、５…Ｘ−Ｙスキャニング装置、１４…
ダブルモード導波路、１３，１５，１９，２０，２２，
２４，２６…シングルモード導波路、２５，２８…導波
路、２９，３０，３１，３２，３３…光検出器、１６，
１７…電極、３４…差動回路、３６…制御装置、３７…
モニタ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検物体上に、光スポットを照射する照明
光学系と、前記光スポットを前記被検物体に対して相対
的に移動させる走査手段と、前記光スポットについての
前記被検物体からの反射光を検出する検出光学系とを有
するコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡であっ
て、前記照明光学系は、前記被検物体上に、順に配列された
第１、第２、第３の３つの光スポットを照射し、前記検出光学系は、前記３つの光スポットのうち第２の
光スポットの反射光から、前記被検物体の第２の光スポ
ットが照射された領域の微分情報を得る第１の検出光学
系と、前記３つの光スポットのうち第１、第３の光スポ
ットの反射光から、前記被検物体の前記第１、第３の光
スポットが照射された領域間の高低差を得る第２の検出
光学系とを有し、前記第１の検出光学系は、前記第２の光スポットの反射
光の光路上に入射端を有するダブルモード導波路部と、
前記ダブルモード導波路部を伝搬した光を２つに分岐す
るための分岐部と、前記分岐部で分岐された２つの光を
それぞれ導波して出射する２本の導波路部とを備えた第
１の導波路光学系と、第１の導波路光学系の２本の導波
路部の出射端にそれぞれ配置されて、出射光の強度を検
出する第１および第２の検出手段と、前記第１の検出手
段の検出信号と第２の検出手段の検出信号との差を求め
る差分演算手段とを有し、前記第２の検出光学系は、前記第１、第３の２つの光ス
ポットの反射光の光路上にそれぞれ入射端を有する２本
のシングルモードの導波路部と、前記２本のシングルモ
ード導波路部を伝搬した光を合波するための合波部と、
前記合波部の合波した光を導波して出射する１本のシン
グルモード導波路部とを備えた第２の導波路光学系と、
前記第２の導波路光学系の１本のシングルモード導波路
部の出射端に配置されて、出射光の強度を検出する第３
の検出手段とを有することを特徴とするコンフォーカル
レーザ走査微分干渉顕微鏡。
【請求項２】請求項１において、前記第１の検出光学系
の前記ダブルモード導波路部の長さＬは、前記ダブルモ
ード導波路部を導波する偶・奇モードの完全結合長Ｌｃ
を用いて、Ｌ＝Ｌｃ（２ｍ＋１）／２（ｍ＝０，１，２，・
・・）で表される長さを有することを特徴とするコンフォーカ
ルレーザ走査微分干渉顕微鏡。
【請求項３】請求項１において、前記第１、第３の光ス
ポットが、高低差のない平面を有する被検物体に照射さ
れた場合、前記第１、第３の２つの光スポットの一方の
光スポットについての、前記被検物体から前記第２の検
出光学系の合波部までの光路長と、他方の光スポットの
についての、前記被検物体から前記第２の検出光学系の
合波部までの光路長との差△Ｌは、前記照明光学系の照
射する光の波長λを用いて、 △Ｌ＝ｍλ （ｍ＝０，１，２，・・・）で表されることを特徴とするコンフォーカルレーザ走査
微分干渉顕微鏡。
【請求項４】請求項２において、前記第１の検出光学系
の前記ダブルモード導波路部は、電気光学効果を有する
材料で構成され、前記ダブルモード導波路部の完全結合
長Ｌｃを変化させるために、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有することを特徴とするコ
ンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡。
【請求項５】請求項３において、前記第２の検出光学系
の前記２本のシングルモード導波路部の少なくとも一方
のシングルモード導波路は、電気光学効果を有する材料
で構成され、前記電気光学効果を有する材料で構成され
たシングルモード導波路部の光の位相を変化させるため
に、前記電気光学効果を有する材料で構成されたシング
ルモード導波路部に電圧を印加するための電極を有する
ことを特徴とするコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕
微鏡。
【請求項６】請求項１において、前記第１の導波路光学
系と第２の導波路光学系とは、同一の基板上に形成され
た、チャネル型の導波路であることを特徴とするコンフ
ォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡。