JPH11194016A - 表面形状測定方法 - Google Patents

表面形状測定方法

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JPH11194016A
JPH11194016A JP10000242A JP24298A JPH11194016A JP H11194016 A JPH11194016 A JP H11194016A JP 10000242 A JP10000242 A JP 10000242A JP 24298 A JP24298 A JP 24298A JP H11194016 A JPH11194016 A JP H11194016A
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JP
Japan
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double mode
mode waveguide
test object
surface shape
waveguide
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JP10000242A
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English (en)
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Masaaki Doi
正明 土肥
Yutaka Iwasaki
豐 岩崎
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Nikon Corp
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Nikon Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ダブルモード光導波路を用いて被検物体の表面
形状を精度よく測定する測定方法を提供する。 【解決手段】集光光学系104により集光した光スポッ
トを被検物体105に照射し、その反射光を一方向につ
いてダブルモードであるダブルモード導波路111に伝
搬させ、伝搬してきた光の強度分布の非対称性を前記方
向について112、113、114、115、116に
より検出し、これにより、被検物体105の表面形状を
測定する。このとき、ダブルモード導波路111の前記
方向(幅方向)が、被検物体105の表面の段差を横切
る方向に対して直交するような位置関係で測定を行う。

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よって精度良く表面形状を測定する
方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、光通信や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。
【0003】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が提案さ
れている。この焦点検出装置は、図2のようにダブルモ
ード導波路を用い、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。このモード干渉とは、ダブルモー
ド導波路に0次モード光と1次モード光の両方が励振さ
れた場合に、両モードが導波路内で干渉することをい
う。このモード干渉が生じると、導波路内の光強度分布
に非対称性が生じる。モード干渉が生じるのは、入射レ
ーザ光の強度分布に非対称性がある場合と、入射レーザ
光の位相に非対称性がある場合である。導波路のダブル
モード領域の長さを適当に選ぶことにより、いずれの場
合の非対称性も、導波路内の強度分布の非対称性として
検出することができる(H.Ooki andJ.Iwasaki,Optics C
ommunications 85(1991)177)。なお、図2の焦点検出装
置の場合、ダブルモード導波路111のダブルモード領
域の長さLは、ダブルモード導波路111に入射する光
の位相の対称性を検出する条件に設定されている。すな
わち、完全結合長(ダブルモード導波路111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、Lは、 L=Lc(m+1/2)(m=0,1,2・・・) を満たす長さに設定する。
【0004】図2の焦点検出装置の構成と動作を具体的
に説明する。被検物体105には、光源101から出射
された光が、コリメータレンズ102、ハーフミラー1
03、対物レンズ104によって、集光されて照射され
る。被検物体105による反射光は、対物レンズ10
4、ハーフミラー103、集光レンズ106によって、
ダブルモード導波路111の入射端107に集光されて
入射する。このとき、入射端107におけるレーザスポ
ットの中心が、ダブルモード導波路111の中心からわ
ずかにずれるように、ダブルモード導波路111が配置
されている。ダブルモード導波路111は、基板110
上に形成されている。
【0005】このような構成では、被検物体105の表
面の位置が、対物レンズ104の焦点位置にあるときに
は、入射端107における光スポットの光の等位相面4
01は傾きを持たない(図4(b))ため、ダブルモー
ド導波路111の逆側の端部における、導波路の幅方向
についての光強度分布は対称になる。一方、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4
01に傾きが生じ(図4(a)、(c))、ダブルモー
ド導波路111の逆側の端部における、導波路の幅方向
についての光強度分布に非対称性をもたらす。よって、
2分岐の導波路112、113によって、ダブルモード
導波路111を伝搬する光を、導波路の幅方向に2分岐
してそれぞれに伝搬し、光検出器114、115で光強
度を検出し、その差を差動増幅器116で求めることに
より、ダブルモード導波路111内の光強度分布の非対
称性を検出することができる。この非対称性が入射端1
07における光の等位相面401の非対称性に対応して
いる。よって、差動増幅器116の出力は、図5のよう
なフォーカスエラーを表す曲線となり、この曲線を予め
測定しておくことにより、差動増幅器116の出力か
ら、被検物体105の焦点位置ずれ量を定量的に測定す
ることができる。また、被検物体105を光スポットに
対して相対的に走査させながら、被検物体105の表面
の焦点位置ずれ量を測定することにより、被検物体10
5の表面の段差の測定や、表面形状の測定等の変位計測
を行うことができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
特開平6−331841号公報に記載されている装置
で、被検物体の表面形状の測定を行おうとした場合、被
検物体の表面の変位には対応しない突出した大きな信号
が出力信号に加わることがあり、正確に段差等の測定を
行うことができないことがあった。
【0007】本発明は、このような課題を解決し、ダブ
ルモード光導波路を用いて被検物体の表面形状を精度よ
く測定する測定方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記のような課題を解決
するために、本発明は、以下のような表面形状測定方法
を提供する。
【0009】すなわち、集光光学系により集光した光ス
ポットを被検物体に照射し、その反射光を、ある方向に
ついてダブルモードであるダブルモード導波路に入射さ
せて伝搬させ、伝搬してきた光の強度分布の非対称性を
前記方向について検出し、これにより前記被検物体の表
面形状を測定する方法であって、前記ダブルモード導波
路の前記方向と、前記被検物体の表面の段差を横切る方
向とが直交するように、前記ダブルモード導波路を前記
被検物体に対して配置して測定を行うことを特徴とする
表面形状測定方法である。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態の表面形状
測定方法について、図面を用いて説明する。
【0011】発明者らは、従来の図2のような装置によ
って表面形状を測定する場合に、差動増幅器116の出
力信号に、被検物体の表面の変位には対応しない突出し
た大きな信号が加わる原因を調査した。その結果、被検
物体の段差方向、被検物体上での光スポットの走査方
向、ならびに、ダブルモード導波路111の配置に関係
があることがわかった。例えば、被検物体105に図2
のような段差があるとき、段差形状を測定するために
は、被検物体105上の光スポットを段差方向(段を横
切る方向:図2中の矢印方向)に相対的に移動させる必
要がある。このとき、図2のように、段差方向が、ダブ
ルモード導波路111の幅方向と一致していると、段差
部分から十分離れた場所に光スポットが照射されている
ときには、図3のようにその場所についての焦点位置か
らのずれ量が得られるが、光スポットが段差にかかった
場合には、段差部分で突出した大きな信号が出力され、
段差形状が測定できなくなる。
【0012】段差部分で突出した大きな信号が出力され
るのは、次のような理由による。図2の装置で差動増幅
器116の出力は、すでに説明したようにダブルモード
導波路111の入射端107における光の等位相面40
1の非対称性に対応している。被検物体105の表面が
平坦、すなわちダブルモード導波路111の入射端10
7の端面に平行である場合には、等位相面401の非対
称性は、図4(a),(b),(c)のように、被検物
体105の焦点位置からのずれ量のみに対応している。
ところが、上述のように段差方向とダブルモード導波路
111の幅方向とが一致した状態で計測を行う場合、光
スポットが被検物体105の段差にかかると、光が段差
に反射されることによって、反射光の等位相面に、段差
形状に相当する非対称性が生じてしまう。このため、差
動増幅器116の出力には、被検物体105の焦点位置
からのずれによる出力の他に、被検物体105の段差に
相当する微分信号が加わる。この段差に相当する微分信
号は、焦点位置からのずれによる出力よりも大きな振幅
を有し、また尾を引いた形で出力されるため、被検物体
105の表面形状の正確な測定ができなくなる。
【0013】そこで、本発明では、以下のように段差形
状の測定を行う。
【0014】まず、被検物体105上の段差の方向を調
べ、図1のように、段差方向(段差を横切る方向:図1
のx方向)が、ダブルモード導波路111の幅方向(図
1のy方向)に対して直交するように位置関係にする。
この状態で光スポットが段差の方向(段を横切る方向)
に移動するように被検物体105を相対的に移動させ
る。装置の構成は、図2と同様であるので説明を省略す
るが、被検物体105を光スポットに対して移動させる
ための移動ステージ7は、被検物体105をダブルモー
ド導波路111の厚さ方向(x方向)に移動可能なステ
ージを用いる。また、ダブルモード導波路111は、導
波路の幅方向についてはダブルモードで、導波路の厚さ
方向についてはシングルモードとなるように形成してお
く。
【0015】このような位置関係で段差形状の計測を行
うと、光スポットが段差の部分にかかった場合に段差に
よって反射光の等位相面の非対称性が生じる方向は、ダ
ブルモード導波路111の厚さ方向であり、ダブルモー
ド導波路111の幅方向については生じない。ダブルモ
ード導波路111は、導波路の幅方向についてのみダブ
ルモードで、厚さ方向についてはシングルモードである
ため、導波路の厚さ方向の等位相面の非対称性によらな
い被検物体105の焦点位置からのずれによる等位相面
の非対称性に対応する出力のみが差動増幅器116から
出力される。よって、段差部分で図3のような突出した
微分信号が出力されないため、段差形状を正確に測定す
ることができる。また、この段差形状から段差の高さを
定量的に測定することができる。
【0016】この測定方法は、被検物体105の段差の
方向を調べ、この方向をダブルモード導波路111の幅
方向と直交させる必要があるため、被検物体105とし
ては一定の方向に段差が平行にならんでいるものが適し
ている。例えば、基板上に一定方向に微細な溝が刻まれ
たグレーティングや、基板上に一定方向に形成された複
数の光導波路等の表面形状の測定や検査を行うのに適し
ている。
【0017】なお、この測定方法で、被検物体105の
段差の方向がダブルモード導波路111の幅方向に対し
て直交するように配置を定める際には、正確に直交させ
ることが望ましい。というのは、直交状態からずれてい
ると、段差によって反射光の等位相面に生じる非対称性
の方向が、ダブルモード導波路111の幅方向の成分を
有することになるため、この非対称性が出力されてしま
うためである。
【0018】本実施の形態では、図1および図2の構成
の装置を用いて表面形状を測定する場合について説明し
てきたが、本実施の形態の測定方法に用いることのでき
る装置は、この構成に限定されるものではない。本実施
の形態の測定方法に用いることのできる装置は、被検物
体に光スポットを照射し、その反射光をダブルモード導
波路の中心軸からわずかにずれた位置に入射させて、ダ
ブルモード導波路に伝搬させ、伝搬光の強度分布の非対
称性を検出することにより、ダブルモード導波路に入射
した光の位相の非対称性を検出する装置であればよく、
図1、図2以外の構成でもよい。
【0019】
【発明の効果】上述のように、本発明によれば、ダブル
モード導波路を用いて被検物体の表面形状を精度よく測
定する測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態のダブルモード導波路を
用いて被検物体の表面形状を精度よく測定する測定方法
を説明するための説明図。
【図2】従来のダブルモード導波路を用いた焦点検出装
置の構成を示すブロック図。
【図3】従来の測定方法によって図2の装置で被検物体
の段差形状を測定した場合の出力を示すグラフ。
【図4】図2の装置において、ダブルモード導波路11
1の入射端付近における光の等位相面を、それぞれ被検
物体が焦点位置からずれている場合((a)および
(c))、被検物体が焦点位置にある場合((b))に
ついて示す説明図。
【図5】図2の装置において、被検物体の焦点位置から
のずれ量と出力との関係を表わすグラフ。
【符号の簡単な説明】
7…移動ステージ、101…光源、102…コリメータ
レンズ、103…ハーフミラー、104…対物レンズ、
105…被検物体、106…集光レンズ、107…入射
端、110…基板、111…ダブルモード導波路、11
2、113…導波路、114、115…光検出器、11
6…差動増幅器。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】集光光学系により集光した光スポットを被
    検物体に照射し、その反射光を、ある方向についてダブ
    ルモードであるダブルモード導波路に入射させて伝搬さ
    せ、伝搬してきた光の強度分布の非対称性を前記方向に
    ついて検出し、これにより前記被検物体の表面形状を測
    定する方法であって、 前記ダブルモード導波路の前記方向と、前記被検物体の
    表面の段差を横切る方向とが直交するように、前記ダブ
    ルモード導波路を前記被検物体に対して配置して測定を
    行うことを特徴とする表面形状測定方法。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の表面形状測定方法におい
    て、前記光スポットを前記被検物体上で、前記段差を横
    切る方向に相対的に移動させながら測定を行うことを特
    徴とする表面形状測定方法。
  3. 【請求項3】請求項1に記載の表面形状測定方法におい
    て、前記反射光を前記ダブルモード導波路に入射させる
    際に、前記反射光の光軸が、前記ダブルモード導波路の
    前記方向についての中心からずれるように前記ダブルモ
    ード導波路を配置することを特徴とする表面形状測定方
    法。
  4. 【請求項4】請求項1に記載の表面形状測定方法におい
    て、前記ダブルモード導波路の0次モードと1次モード
    との完全結合長をLcとするとき、前記ダブルモード導
    波路のダブルモードである領域の長さLは、 L=Lc(m+1/2)(m=0,1,2・・・) を満たすことを特徴とする表面形状測定方法。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03128660U (ja) * 1990-04-10 1991-12-25
JPH05267235A (ja) * 1992-03-18 1993-10-15 Tokyo Electron Yamanashi Kk ドライエッチング装置
JPH08120469A (ja) * 1994-10-18 1996-05-14 Ryoden Semiconductor Syst Eng Kk ドライエッチング装置

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