JPH1184251A - 光導波路型変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】試料が入射光に対して傾斜している場合にも、
試料の傾きの影響を受けることなく変位量を正確に測定
できる光導波路型変位検出装置を提供する。 【解決手段】光源１７から出射した光は、第１のダブル
モード導波路３を伝搬して端面２０１から出射され、対
物レンズ２０により試料表面２１に集光し、その反射戻
り光は、第２のダブルモード導波路の端面２０２の中心
からずれた位置に入射し、端面２０２における波面の対
称性が、減算回路２２から出力される。一方、光源１８
から出射した光は、逆の経路で、第１のダブルモード導
波路の端面２０２の中心からずれた位置に入射し、端面
２０１における波面の対称性が、減算回路２３から出力
される。このような構成では、試料表面２１の傾斜によ
る減算回路２２、２３の出力は、符号が互いに逆になる
ため、加算回路２４で加算することにより、キャンセル
でき、試料表面２１の変位による出力のみを出力でき
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、光ピックアップ等
の試料表面の上下方向の変位量を計測する変位検出装置
に関するものである。本発明は特にダブルモード光導波
路のモード干渉現象を利用した変位検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダブルモード光導波路中のモード干渉を
利用して、試料表面の段差や反射率変化を観察するレー
ザ走査型モード干渉顕微鏡が提案されている（例えば、
Ｈ．Ｏｏｋｉ ａｎｄ Ｊ．Ｉｗａｓａｋｉ， Ｏｐｔ
ｉｃｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ８５（１９９
１）１７７）。また、集光光学系からの光を、ダブルモ
ード光ファィバーの入射端面の中心からわずかにずれた
位置に入射させることによって、集光光学系によって生
じる光の波面の傾斜を検出し、試料表面との距離の変化
を測定する方法が提案されている。（例えば、Ｒ．Ｊｕ
ｓｋａｉｔｉｓａｎｄ Ｔ．Ｗｉｌｓｏｎ， Ａｐｐｌ
ｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ３１（１９９２）４５６９）。

【０００３】これらの場合、ダブルモード導波路（ファ
イバー）の長さＬが、ダブルモード導波路を導波する偶
モードと奇モードの間の完全結合長（偶モードと奇モー
ドとの位相差が１８０゜となる導波路の長さ）をＬ_cと
するとき、 Ｌ＝Ｌ_c（２ｍ＋１）／２ （ｍ＝０，１，２， …） で表せる長さのとき、変位量を効率よく検出することが
知られている。変位量計測を目的として、基板上に形成
したモード干渉デバイスは、例えば、特開平４−２０８
９１３で提案されている。

【０００４】ここで、特開平４−２０８９１３号公報で
提案されている変位量測定装置を図３を用いて説明す
る。図３において光源１２４から出射した光は、ハーフ
ミラー２５で反射し、レンズ１２６で試料表面１２７に
集光する。試料表面１２７からの反射戻り光は、再びレ
ンズ１２６、ハーフミラー１２５を透過し、基板１２８
上に形成されたダブルモードチャネル導波路１２９の入
射端面の中心からわずかにずれた位置に入射する。この
入射光によってダブルモードチャネル導波路１２９に励
振された偶モードと奇モードの光は、モード干渉を起こ
しながらダブルモードチャネル導波路１２９を伝搬し、
導波路分岐部１３０で２つのチャネル導波路１３１，１
３２に分配され、それぞれ２つのチャネル導波路１３
１，１３２を励振して伝搬する。２つのチャネル導波路
１３１，１３２の出射端にそれぞれ配設された２つの光
検出器１３３，１３４は、２つのチャネル導波路１３
１，１３２を伝搬してきた光の強度をそれぞれ検出し、
電気信号に変換する。減算回路１３５は、２つの光検出
器１３３，１３４の出力の差信号を求める。

【０００５】ダブルモードチャネル導波路１２９の長さ
Ｌは、ダブルモードチャネル導波路１２９を導波する偶
モードと奇モードの間の完全結合長をＬ_cとするとき Ｌ＝Ｌ_c（２ｍ＋１）／２ （ｍ＝０，１，２， …） で表される長さに設定されている。このような長さＬ
に、ダブルモードチャネル導波路１２９の長さが設定さ
れている場合には、ダブルモードチャネル導波路１２９
の入射端面における入射光の位相の非対称性を、分岐部
１３０における伝搬光の強度分布の非対称性として選択
的に検出できる。すなわち、ダブルモードチャネル導波
路１２９の入射端面における入射光の位相が、ダブルモ
ードチャネル導波路１２９の中心軸について対称である
場合には、分岐部１３０において伝搬光の強度分布が対
称になるため、２つのチャネル導波路１３１、１３２に
分配される光の強度は等しい。一方、ダブルモードチャ
ネル導波路１２９の入射端面における入射光の位相が非
対称である場合には、分岐部１３０において伝搬光の強
度分布が非対称になるため、２つのチャネル導波路１３
１、１３２に分配される光の強度は、入射光の位相の非
対称性に対応した差が生じる。

【０００６】図６（ａ），（ｂ），（ｃ）は、ダブルモ
ードチャネル導波路１２９の入射端面付近に反射戻り光
１３９が入射する様子を模式的に描いた説明図である。
図６（ａ），（ｂ），（ｃ）において、反射戻り光１３
９内の曲線は、その位置での波面を表している。試料表
面１２７が、焦点位置にあるとき、ダブルモードチャネ
ル導波路１２９の入射端面に達した時点の反射戻り光１
３９の波面１４０は、入射端面の幅方向と平行である
（図６（ｂ））。よって、分岐部１３０でチャネル導波
路１３１、１３２に分配される光強度は等しく。減算回
路１３５の出力は、０になる。

【０００７】一方、試料表面１２７が焦点位置よりもダ
ブルモードチャネル導波路１２９に近いとき、ダブルモ
ードチャネル導波路１２９の入射端面に達した時点の波
面１４０は、曲面になり、ダブルモードチャネル導波路
１２９の幅方向に対して傾斜する（図６（ａ））。よっ
て、分岐部１３０で、チャネル導波路１３１、１３２に
分配される光強度は等しくなく、減算回路１３５の出力
は、０にはならない。

【０００８】また、試料表面が焦点位置よりもダブルモ
ードチャネル導波路１２９から遠いとき、ダブルモード
チャネル導波路１２９の入射端面に達した時点の波面１
４０は、図６（ａ）の場合とは逆方向に傾斜する（図６
（ｃ））。よって、分岐部１３０でチャネル導波路１３
１、１３２に分配される光強度は等しくなく、減算回路
１３５の出力は、０にはならず、しかも、減算回路１３
５の出力は、図６（ａ）の場合とは、逆の極性となる。

【０００９】このような減算回路１３５の出力信号を縦
軸にとり、このときの試料表面１２７の変位量を横軸に
とると、図７に示したように、試料表面１２７がレンズ
１２６の焦点位置にあるとき、出力信号がゼロとなる点
を通る曲線３８が得られる。従って、差信号から試料表
面１２７の上下方向の変位量を知ることができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述の特開平４−２０
８９１３号公報等の変位検出装置の構成では、試料表面
が焦点位置から変位した場合のみならず、試料表面が入
射光に対して傾いている場合にも、反射戻り光の波面に
傾きが生じる。しかしながら、従来の変位検出装置で
は、試料表面の焦点位置からの変位による反射戻り光の
波面の傾きと、試料表面が傾斜していることによる反射
戻り光の波面の傾きとを区別することができない。この
ため、試料表面が入射光に対して傾いている場合には、
減算回路の出力には、試料表面の変位による出力成分
と、試料表面の傾斜による出力成分とが含まれ、変位が
精度良く検出できないという問題があった。

【００１１】本発明は、このような課題を解決し、試料
が入射光に対して傾斜している場合にも、試料の傾きの
影響を受けることなく変位量を正確に測定できる光導波
路型変位検出装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、以下のような変位検出装置を提供す
る。

【００１３】すなわち、第１および第２の照明光学系
と、前記第１および第２の照明光学系から出射された第
１および第２の照明光を試料表面に集光するための対物
レンズと、前記第１および第２の照明光の前記試料表面
による反射光を、一端の端面から入射させてそれぞれ伝
搬するための第１および第２のダブルモードチャネル導
波路と、前記第１および第２のダブルモードチャネル導
波路を伝搬してきた前記反射光の電界強度分布の偏りの
大きさを検出するための第１および第２の検出部と、前
記第１および第２の検出部の出力のうち、前記試料表面
の傾斜による出力を互いに相殺させる処理をおこなう処
理回路とを有し、前記第１の照明光学系は、前記第１の
照明光を前記端面とは逆側の端部から前記第２のダブル
モード導波路に入射して、前記第２のダブルモード導波
路を伝搬させ、前記第２のダブルモード導波路の前記端
面から前記試料表面に向けて出射させる光学系であり、
前記第２の照明光学系は、前記第２の照明光を前記端面
とは逆側の端部から前記第１のダブルモード導波路に入
射して、前記第１のダブルモード導波路を伝搬させ、前
記第１のダブルモード導波路の前記端面から前記試料表
面に向けて出射させる光学系であり、前記第１および第
２のダブルモードチャネル導波路は、前記第１および第
２の照明光の前記試料表面による反射光が、それぞれの
前記端面の中心からずれた位置に入射するように配置さ
れていることを特徴とする光導波路型変位検出装置であ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態について、
図面を用いて説明する。

【００１５】まず、本発明の第１の実施の形態の光導波
路型変位検出装置について、図１を用いて説明する。

【００１６】Ｓｉ基板１上には、導波路の幅方向にダブ
ルモードの第１のダブルモードチャネル導波路３が形成
されている。ダブルモードチャネル導波路３の一端の端
面２０２は、基板１の側面に配置されている。ダブルモ
ードチャネル導波路３のもう一方の端部には、分岐部５
が接続されている。分岐部５には、３本のチャネル導波
路７、１５、８が接続されている。３本のうち中央のチ
ャネル導波路１５は、シングルモード導波路であり、ダ
ブルモードチャネル導波路３に照明光を入射するために
配置されている。照明用シングルモードチャネル導波路
１５は、その中心軸がダブルモードチャネル導波路３の
中心軸と一致するように形成されている。両脇のチャネ
ル導波路７、８は、ダブルモードチャネル導波路３を端
面２０１側から伝搬してきた光を伝搬するために配置さ
れている。また、チャネル導波路７、８、１５の端部
は、基板１の側面に配置されており、両脇のチャネル導
波路７、８の端部には、それぞれシリコンフォトダイオ
ード１１、１２が取り付けられている。また、中央の照
明用チャネル導波路１５の端部には、レーザーダイオー
ド１７が取り付けられている。

【００１７】Ｓｉ基板１は、ダブルモードチャネル導波
路３の端面２０１が、変位を測定すべき試料表面２１に
対向するように配置されている。端面２０１と試料表面
との間には、光軸上にビームスプリッタ１９と、対物レ
ンズ２０とが順に配置されている。ビームスプリッタ１
９で分岐される光軸上には、もう一つのＳｉ基板２が配
置されている。

【００１８】Ｓｉ基板２上には、Ｓｉ基板１と同様の構
成で、ダブルモードチャネル導波路４、分岐部６、３本
のチャネル導波路９、１０、１６が形成されている。各
導波路の構成は、Ｓｉ基板１と同じであるので説明を省
略する。中央のチャネル導波路１６の端部には、レーザ
ーダイオード１８が取り付けられている。また、両脇の
チャネル導波路９、１０の端部には、シリコンフォトダ
イオード１３、１４が取り付けられている。

【００１９】Ｓｉ基板１、Ｓｉ基板２、対物レンズ２０
およびビームスプリッタ１９は、以下のようにアライメ
ントされている。すなわち、Ｓｉ基板１のダブルモード
チャネル導波路３の端面２０１から出射された第１の照
明光（図１で光路を破線で示す）が、ビームスプリッタ
１９を通過し、対物レンズ２０で試料表面２１に集光さ
れ、その反射戻り光が、対物レンズ２０を再び通過し、
今度はビームスプリッタ１９で反射され、Ｓｉ基板２の
ダブルモードチャネル導波路４の端面２０２から入射す
るようにアライメントされている。しかも、第１の照明
光の反射戻り光が端面２０２に入射する際に、端面２０
２の中心から導波路の幅方向にずれた位置に入射するよ
うにアライメントされている。また、試料表面２１が対
物レンズ２０の焦点位置にある場合に、試料表面２１で
反射した第１および第２の照明光がそれぞれ端面２０
２、２０１上で焦点を結ぶように、対物レンズ２０とＳ
ｉ基板１、２との距離が設定されている。

【００２０】また、このようにアライメントを施してい
るため、Ｓｉ基板２のダブルモードチャネル導波路４の
端面２０２から出射された第２の照明光（図１において
光路を実線で示す）は、ビームスプリッタ１９で反射さ
れ、対物レンズ２０で試料表面２１に集光され、その反
射戻り光が、対物レンズ２０を再び通過し、今度はビー
ムスプリッタ１９を透過して、Ｓｉ基板１のダブルモー
ドチャネル導波路３の端面２０１の中心からずれた位置
に自動的に入射する。

【００２１】また、フォトダイオード１１、１２には、
これらの出力を減算するための減算回路２３が接続され
ている。フォトダイオード１３、１４は、これらの出力
を減算するための減算回路２２が接続されている。減算
回路２２、２３には、これらの出力を加算する加算回路
２４が接続されている。

【００２２】また、ダブルモードチャネル導波路３、４
は、同形状に形成されている。しかも、端面２０１、２
０２から入射した光が実質的にダブルモードで伝搬しう
る部分の長さＬが、分岐部５、６との接続部まで含め
て、 Ｌ＝Ｌ_c（２ｍ＋１）／２ （ｍ＝０，１，２， …） ・・・（１） を満たすように形成されている。ただし、Ｌ_cは、ダブ
ルモードチャネル導波路３、４を導波する偶モードと奇
モードの間の完全結合長である。すでに広く知られてい
るように、このような長さＬにダブルモードチャネル導
波路３、４の長さを設定することにより、ダブルモード
チャネル導波路３、４の端面２０１、２０２における入
射光の位相の非対称性を、分岐部５、６における光強度
の非対称性、すなわち伝搬光の電界強度分布の偏りとし
て、選択的に検出することができる。

【００２３】なお、本実施の形態では、第１および第２
のダブルモードチャネル導波路３、４、分岐部５、６、
チャネル導波路７、８、９、１０ならびに照明用シング
ルモードチャネル導波路１５、１６は、基板１、２上に
形成されたゲルマニウムを添加した酸化珪素層を、これ
らの形状にパターニングすることにより形成されてい
る。なお、第１および第２のダブルモードチャネル導波
路３、４の幅は、約８μｍに形成されている。また、第
１の照明光および第２の照明光の反射戻り光は、それぞ
れダブルモード導波路４、３の入射端面２０２、２０１
の中心から幅方向に約３μｍずれた位置に入射するよう
にアライメントされている。また、本実施の形態では、
レーザーダイオード１７、１８として、波長６７０ｎｍ
の光を出射するレーザーダイオードを用いている。ま
た、試料２１上における第１および第２の照明光のスポ
ット径はそれぞれ２μｍ前後であり、試料表面２１上に
おけるそれぞれの光スポットの中心間隔は、約１．６μ
ｍである。

【００２４】つぎに、本実施の形態の光導波路型変位検
出装置の動作について説明する。

【００２５】レーザーダイオード１７から出射した第１
の照明光は、照明用シングルモードチャネル導波路１５
を伝搬し、分岐部５を経て、ダブルモードチャネル導波
路３に入射する。このとき、照明用シングルモードチャ
ネル導波路１５とダブルモードチャネル導波路３とは、
同軸に形成されているため、ダブルモードチャネル導波
路３には０次モード光のみが励振され、強度分布が導波
路の中心軸に対して対称な第１の照明光が端面２０１か
ら出射される。この第１の照明光は、図１の破線のよう
に、ビームスプリッタ１９を透過し、対物レンズ２０で
試料表面２１に集光される。試料表面２１からの反射戻
り光は、対物レンズ２０を再び通過した後、今度はビー
ムスプリッタ１９で反射され、Ｓｉ基板２のダブルモー
ドチャネル導波路４の端面２０２の中心からずれた位置
に入射し、ダブルモード導波路４を励振する。

【００２６】ダブルモード導波路４を伝搬した光は、分
岐部６でチャネル導波路９、１０、１６に分配される。
このとき、分岐部６に達した時点の伝搬光の電界強度分
布は、端面２０２の入射する際の第１の照明光の反射戻
り光の波面の傾斜に対応した非対称性を有する。また、
チャネル導波路９、１０に分配される光の強度は、分岐
部６における伝搬光の電界強度分布の偏りに対応する。
よって、チャネル導波路９、１０を伝搬する光の強度を
シリコンフォトダイオード１３、１４により電気信号に
変換し、これらの出力の差を減算回路２２で求めると、
減算回路２２の出力は、端面２０２の入射する際の第１
の照明光の反射戻り光の波面の傾斜に対応した値とな
る。

【００２７】一方、レーザダイオード１８から出射した
第２の照明光は、照明用シングルモードチャネル導波路
１６を伝搬し、分岐部６を経て、ダブルモードチャネル
導波路４に入射する。このとき、第１の照明光と同様
に、第２の照明光は、ダブルモードチャネル導波路４を
０次モードで伝搬し、強度分布がダブルモードチャネル
導波路４の中心軸に対して対称な第２の照明光が端面２
０２から出射される。第２の照明光は、図１の実線で示
したように、ビームスプリッタ１９で反射され、対物レ
ンズ２０で試料表面２１に集光される。試料表面２１か
らの反射戻り光は、対物レンズ２０を再び通過した後、
今度はビームスプリッタ１９を透過し、Ｓｉ基板１のダ
ブルモードチャネル導波路３の端面２０１の中心からず
れた位置に入射し、ダブルモード導波路３を励振する。

【００２８】ダブルモード導波路３を伝搬した光は、分
岐部５でチャネル導波路７、８、１５に分配される。こ
のとき、分岐部５に達した時点の伝搬光の電界強度分布
は、端面２０１の入射する際の第２の照明光の反射戻り
光の波面の傾斜に対応した非対称性を有する。また、チ
ャネル導波路７、８に分配される光の強度は、分岐部５
における伝搬光の電界強度分布の偏りに対応する。よっ
て、チャネル導波路７、８を伝搬する光の強度をシリコ
ンフォトダイオード１１、１２により電気信号に変換
し、これらの出力の差を減算回路２３で求めると、減算
回路２３の出力は、端面２０１の入射する際の第２の照
明光の反射戻り光の波面の傾斜に対応した値となる。

【００２９】加算回路２４は、減算回路２３および２２
の出力を加算する。

【００３０】ここで、試料表面２１の変位および傾斜に
よる、減算回路２２、２３の出力の変化ならびに加算回
路２４の出力の変化について説明する。

【００３１】試料表面２１が対物レンズ２０の光軸に対
して垂直である場合には、第１および第２の照明光は、
試料表面２１に垂直に入射する。よって、試料表面２１
からの反射戻り光は、図２（ｂ）に実線で示したよう
に、第１の照明光の反射戻り光２６は、ビームスプリッ
タ１９で垂直に反射され、ダブルモードチャネル導波路
４の中心軸に平行に端面２０２へ向かって進む。第２の
照明光の反射戻り光２５は、ビームスプリッタ１９を透
過し、ダブルモードチャネル導波路３の中心軸に平行に
端面２０１に向かって進む。

【００３２】よって、試料表面２１が対物レンズ２０の
焦点位置にある場合には、従来の図６（ｂ）の場合と同
様に、端面２０１、２０２に入射する際、第１および第
２の照明光の反射戻り光の波面はダブルモードチャネル
導波路３、４の幅方向と平行になり、分岐部５６におい
て伝搬光の電界強度分布が対称になるため、減算回路２
２、２３の出力は０になる。

【００３３】また、試料表面２１が対物レンズ２０の焦
点位置から変位している場合には、従来の図６（ａ）、
（ｃ）の場合と同様に、端面２０１、２０２に入射する
際には、第１および第２の照明光の反射戻り光の波面は
曲面となり、ダブルモードチャネル導波路３、４の幅方
向に対して傾斜するため、分岐部５、６において伝搬光
の電界強度分布が非対称になり、減算回路２２、２３の
出力の大きさが、試料表面２１の焦点からの変位量を、
減算回路２２、２３の出力の符号が、試料表面２１の焦
点からの変位の方向を表す。なお、この減算回路２２の
出力の符号と、減算回路２３の出力の符号とは、ダブル
モードチャネル導波路３、４が同形状に形成されている
ため、同じ符号となる。すなわち、例えば、試料表面２
１が焦点より対物レンズ２０に近い位置に変位している
場合には、減算回路２２の出力も減算回路２３の出力も
正になり、試料表面２１が焦点よりも対物レンズ２０か
ら遠い位置に変位している場合には、減算回路２２の出
力も減算回路２３の出力も負になる。

【００３４】よって、加算回路２４により、減算回路２
２、２３の出力の和をとると、出力の大きさは常に加算
され、加算回路２４の出力は図７に示したような形状に
なる。すなわち、加算回路２４の出力が、０の場合に
は、試料表面２１が対物レンズ２０の焦点位置にあり、
０でない場合には、出力の大きさから焦点からの変位量
を、出力の符号から試料表面２１の焦点からの変位の方
向を知ることができる。

【００３５】一方、試料表面２１が対物レンズ２０の光
軸に対して傾斜している場合には、第１および第２の照
明光は、いずれも試料表面２１に傾斜して入射し、入射
光の光軸に対して傾斜して反射され、図２（ｂ）のよう
に、ビームスプリッタ１９に対して傾斜して入射する。
そのため、端面２０２へ向かう第１の照明光の反射戻り
光は、ビームスプリッタ１９において垂直には反射され
ず、ビームスプリッタ１９の反射面の法線を挟んで入射
角に等しい反射角で反射される。よって、ダブルモード
チャネル導波路４に入射する際には、図２（ａ）のよう
に第１の照明光の反射戻り光２６の光軸は、ダブルモー
ドチャネル導波路４の伝搬方向２２２に対して傾斜す
る。また、第２の照明光の反射戻り光２５は、傾斜した
ままビームスプリッタ１９を透過するため、ダブルモー
ドチャネル導波路３に入射する際の第２の照明光の反射
戻り光２５の光軸は、図２（ａ）のようにダブルモード
チャネル導波路３の伝搬方向２２１に対して傾斜する。

【００３６】このとき、ダブルモードチャネル導波路４
に対する第１の照明光の反射戻り光２６の傾斜方向と、
ダブルモードチャネル導波路３に対する第２の照明光の
反射戻り光２５の傾斜方向は、互いに逆向きとなり、し
かも、傾斜角θは等しくなる。よって、試料表面２１が
対物レンズ２０の焦点位置にある場合、図２（ａ）のよ
うに、第１および第２の照明光の反射戻り光２６、２５
の波面は端面２０２、２０１において直線であるが、ダ
ブルモードチャネル導波路３、４の幅方向に対して傾斜
しているため、分岐部５、６における電界強度分布は、
端面２０１、２０２における波面の傾斜に対応して、い
ずれも非対称になり、減算回路２２、２３の出力は０に
ならない。しかしながら、上述のようにダブルモードチ
ャネル導波路４に対する第１の照明光の反射戻り光２６
の傾斜方向と、ダブルモードチャネル導波路３に対する
第２の照明光の反射戻り光２５の伝搬方向は、互いに逆
向きで、傾斜角θが等しいため、減算回路２２の出力と
減算回路２３の出力は、互いに符号が逆となり、しかも
出力の大きさは等しくなる。そのため、加算回路２４で
両者の和を取ることにより、試料表面２１が傾斜してい
ることによる減算回路２２、２３の出力は互いにキャン
セルされ、試料表面２１が対物レンズ２０の焦点位置に
ある場合は加算回路２４の出力は０となる。

【００３７】また、試料表面２１が傾斜している状態で
焦点から変位している場合には、減算回路２２、２３の
出力は、試料表面２１が傾斜していることによる出力
と、焦点からずれていることによる出力との和になる。
このとき、試料表面２１が傾斜していることによる出力
は、試料表面２１が焦点位置にある場合と同様に、減算
回路２２の出力と減算回路２３の出力は符号が互いに逆
になるため、加算回路２４で和を取ることによりキャン
セルされる。一方、試料表面が焦点から変位しているこ
とによる出力は、試料表面２１が傾斜していない場合と
同様に、減算回路２２と減算回路２３とで符号が同じに
なるため、加算回路２４で和を取ってもキャンセルされ
ない。

【００３８】したがって、試料表面２１が傾斜している
場合であっても、加算回路２４で減算回路２２、２３の
出力の和を取ることにより、傾斜による出力のみを相殺
でき、試料表面２１の変位による出力のみを加算して出
力できる。よって、加算回路２４の出力は、試料表面２
１が傾斜している場合であっても、図７に示したような
形状になる。すなわち、加算回路２４の出力が、０の場
合には、試料表面２１が対物レンズ２０の焦点位置にあ
り、０でない場合には、出力の大きさから焦点からの変
位量を、出力の符号から試料表面２１の焦点からの変位
の方向を知ることができる。

【００３９】このように、本実施の形態の光導波路型変
位検出装置は、２本のダブルモードチャネル導波路３、
４を用い、試料表面２１が傾斜している場合には、これ
らのダブルモードチャネル導波路３、４に互いに逆方向
に傾斜して反射戻り光が入射するように配置するするこ
とにより、試料表面２１の傾斜による出力をキャンセル
させ、試料表面２１の焦点からの変位のみを出力するこ
とができる。

【００４０】しかも、本実施の形態の光導波路型変位検
出装置は、ダブルモードチャネル導波路３、４に分岐部
５、６を介して３本ずつチャネル導波路を接続し、この
うち中央のチャネル導波路１５、１６をシングルモード
とし照明用に用いている。これにより、ダブルモードチ
ャネル導波路３、４に電界強度分布が対称な照明光をレ
ーザダイオード１７、１８から容易に入射させることが
できる。また、ダブルモードチャネル導波路３から出射
された照明光の反射戻り光をダブルモードチャネル導波
路４の端面２０２に入射させ、ダブルモードチャネル導
波路４から出射された照明光の反射戻り光をダブルモー
ドチャネル導波路３の端面２０１に入射させ、互いに、
照明光を出射し合う構成となっている。これにより、光
学的アライメントが必要な部品が、基板１、基板２、ビ
ームスプリッタ１９、および、対物レンズ２０の４点の
みとなり、部品点数が少なく、アライメントの容易な装
置を実現できる。

【００４１】また、本実施の形態の変位検出装置は、減
算回路２２、２３の出力のうち、試料の変位による出力
成分が加算回路２４により加算されるため、出力が大き
くなるという利点もある。

【００４２】なお、本実施の形態では、ダブルモードチ
ャネル導波路３、４の長さを同じにしているが、必ずし
も常に同じ長さでなくともよく、上述の（１）式を満た
す長さであれば、ダブルモードチャネル導波路３の長さ
と、ダブルモードチャネル導波路４の長さとが同じでな
くともよい。すなわち、（１）式のｍが、ダブルモード
チャネル導波路３とダブルモードチャネル導波路４とで
異なる整数であってもよい。この場合、ダブルモードチ
ャネル導波路３、４の長さの組み合わせによっては、試
料表面２１の変位による減算回路２２、２３の出力が互
いに逆符号となり、試料表面２１の傾斜による減算回路
２２、２３の出力が互いに同じ符号となる場合があり得
る。この場合には、加算回路２４を減算回路に変更する
ことにより、傾斜による出力をキャンセルし、変位によ
る出力を加算することができる。

【００４３】つぎに、本発明の第２の実施の形態の光導
波路型変位検出装置について図４を用いて説明する。図
４の装置において、図１の装置と同一の構成要素には、
同一の番号を付し、説明は省略する。

【００４４】図４の装置では、図１の装置と異なりレー
ザーダイオード１７、１８は、基板１、２には直接取り
付けられていない。レーザーダイオード１７、１８は、
偏波保持型光ファイバー４９、５０を介して照明用シン
グルモードチャネル導波路１５、１６に接続されてい
る。また、レーザーダイオード１７、１８の出射端に
は、ファラデー効果を利用した光アイソレーター５１、
５２がそれぞれ配置されている。

【００４５】このような構成であるため、図４の構成で
は、試料表面２１や光路中の光学部品からの反射戻り光
がレーザーダイオード１７、１８に戻ることがなく、図
１の構成と比較して安定な測定が可能になる。

【００４６】さらに、図４の構成では、レーザーダイオ
ード１７、１８には、これらの温度を測定する温度検出
器と、冷却のためのペルチェ素子とを含む温度制御装置
５３、５４が取り付けられている。温度制御装置５３、
５４は、温度検出器の出力に応じてペルチェ素子への電
流を制御して、レーザーダイオード１７、１８の温度を
一定に保持する。これにより、レーザーダイオード１
７、１８の温度が一定に保たれるため、温度変化による
波長変動がなく、図１の装置に比べて、測定環境の温度
変化の影響を受けにくく、より安定な測定が可能にな
る。

【００４７】つぎに、本発明の第３の実施の形態の光導
波路型変位検出装置の構成を図５を用いて説明する。図
５の装置において、図４の装置と同一の構成要素には、
同一の番号を付し説明を省略する。

【００４８】図５の装置では、レーザダイオード、光ア
イソレーター、温度制御装置は、レーザダイオード１
７、光アイソレーター５１、温度制御装置５３の一組の
みであり、照明光は、分岐型光ファイバ５５を介して照
明用シングルモードチャネル導波路１５、１６に供給さ
れる。したがって、図５の構成は、図４の構成と同等の
効果を、より少ない部品点数で実現できるという利点が
ある。

【００４９】上述してきた各変位検出装置は、試料表面
の傾斜に関わらず、変位量を検出することができる。よ
って、本実施の形態の変位検出装置を、例えば半導体ウ
エハーの表面の変形を測定するために用いることができ
る。従来のダブルモードチャネル導波路を１本のみ用い
る変位検出装置では、ウエハーが波打って変形している
場合のように、傾斜方向や傾斜量が試料部位によって複
雑に変化し、しかも、その傾斜が未知である試料を測定
した場合、傾斜が変位量と加算されて検出されるため、
変位を精度良く測定することはできない。しかしなが
ら、本実施の形態の変位検出装置を用いることにより、
傾斜に関わらず変位量を検出できるため、精度良くウエ
ハーの波打ち変形を検出できる。これにより、例えば、
半導体ウエハー上に形成したフォトレジストを露光する
際に用いるフォトマスクを、半導体ウエハーの傾斜を考
慮して、半導体ウエハーと平行に正確な間隔でアライメ
ントすることが可能になる。よって、半導体ウエハーが
変形している場合でも高精度でパターンを形成すること
が可能になる。

【００５０】また、上述の各実施の形態の変位検出装置
は、部品点数が少ないため、アライメントの負担が少な
いという効果もある。

【００５１】

【発明の効果】上述のように、本発明は、試料が入射光
に対して傾斜している場合にも、試料の傾きの影響を受
けることなく変位量を正確に測定できる光導波路型変位
検出装置を提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による光導波路型変
位検出装置の構成を示すブロック図。

【図２】図１の装置において、試料表面２１が傾斜して
いる場合の（ａ）基板１、２への反射戻り光２５、２６
の入射方向を示す説明図、（ｂ）ビームスプリッタ１９
での光の透過および反射方向を示す説明図。

【図３】従来の光導波路型変位計測装置の構成を示すブ
ロック図。

【図４】本発明の第２の実施の形態における光導波路型
変位検出装置の構成を示すブロック図。

【図５】本発明の第２の実施の形態における光導波路型
変位検出装置の構成を示すブロック図。

【図６】（ａ），（ｂ），（ｃ）図３に示した従来の光
導波路型変位検出装置において、ダブルモード導波路へ
の試料表面から反射戻り光の波面を示した説明図。

【図７】図１の光導波路型変位検出装置の加算回路の出
力と試料表面の変位量との関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１・・・Ｓｉ基板、２・・・Ｓｉ基板、３・・・第１の
ダブルモードチャネル導波路、４・・・第２のダブルモ
ードチャネル導波路、５、６・・・分岐部、７、８、
９、１０・・・チャネル導波路、１１、１２、１３、１
４・・・シリコンフォトダイオード、１５、１６・・・
照明用シングルモードチャネル導波路、１７、１８・・
・レーザーダイオード、１９・・・ビームスプリッタ、
２０・・・対物レンズ、２１・・・試料表面、２２、２
３・・・減算回路、２４・・・加算回路、２５・・・第
２の照明光の反射戻り光、２６・・・第１の照明光の反
射戻り光、１２４・・・光源、１２５・・・ハーフミラ
ー、１２６・・・レンズ、１２７・・・試料表面、１２
８・・・基板、１２９・・・ダブルモードチャネル導波
路、１３０・・・分岐部、１３１、１３２・・・チャネ
ル導波路、１３３、１３４・・・光検出器、１３５・・
・減算回路。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１および第２の照明光学系と、 前記第１および第２の照明光学系から出射された第１お
   よび第２の照明光を試料表面に集光するための対物レン
   ズと、 前記第１および第２の照明光の前記試料表面による反射
   光を、一端の端面から入射させてそれぞれ伝搬するため
   の第１および第２のダブルモードチャネル導波路と、 前記第１および第２のダブルモードチャネル導波路を伝
   搬してきた前記反射光の電界強度分布の偏りの大きさを
   検出するための第１および第２の検出部と、 前記第１および第２の検出部の出力のうち、前記試料表
   面の傾斜による出力を相殺させる処理をおこなう処理回
   路とを有し、 前記第１の照明光学系は、前記第１の照明光を前記端面
   とは逆側の端部から前記第２のダブルモード導波路に入
   射して、前記第２のダブルモード導波路を伝搬させ、前
   記第２のダブルモード導波路の前記端面から前記試料表
   面に向けて出射させる光学系であり、 前記第２の照明光学系は、前記第２の照明光を前記端面
   とは逆側の端部から前記第１のダブルモード導波路に入
   射して、前記第１のダブルモード導波路を伝搬させ、前
   記第１のダブルモード導波路の前記端面から前記試料表
   面に向けて出射させる光学系であり、 前記第１および第２のダブルモードチャネル導波路は、
   前記第１および第２の照明光の前記試料表面による反射
   光が、それぞれの前記端面の中心からずれた位置に入射
   するように配置されていることを特徴とする光導波路型
   変位検出装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の光導波路型変位検出装置
   において、前記第１および第２のダブルモードチャネル
   導波路には、それぞれ、前記端面とは逆側の端部に３分
   岐の分岐部が接続され、 前記第１および第２の照明光学系は、それぞれ、シング
   ルモードチャネル導波路と、前記シングルモードチャネ
   ル導波路に照明光を入射させる光源とを有し、 前記第１の照明光学系の前記シングルモードチャネル導
   波路は、前記第２のダブルモードチャネル導波路の前記
   ３分岐の分岐部の中央の分岐路に接続され、 前記第２の照明光学系の前記シングルモードチャネル導
   波路は、前記第１のダブルモードチャネル導波路の前記
   ３分岐の分岐部の中央の分岐路に接続されていることを
   特徴とする光導波路型変位検出装置。
3. 【請求項３】請求項２に記載の光導波路型変位検出装置
   において、前記第１および第２の検出部は、それぞれ、
   ２本のチャネル導波路と、前記２本のチャネル導波路を
   伝搬してきた光の強度を検出するための２つの光強度検
   出素子と、前記２つの光強度検出素子の出力の差をとる
   減算回路とを有し、 前記第１の検出部の２本のチャネル導波路は、前記第１
   のダブルモードチャネル導波路の前記３分岐の分岐部の
   両脇の分岐路にそれぞれ接続され、 前記第２の検出部の２本のチャネル導波路は、前記第２
   のダブルモードチャネル導波路の前記３分岐の分岐部の
   両脇の分岐路にそれぞれ接続されていることを特徴とす
   る光導波路型変位検出装置。
4. 【請求項４】請求項２に記載の光導波路型変位検出装置
   において、前記３分岐の分岐部およびシングルモードチ
   ャネル導波路は、中心軸が、第１および第２のダブルモ
   ードチャネル導波路の中心軸と一致するように形成され
   ていることを特徴とする光導波路型変位検出装置。
5. 【請求項５】請求項１に記載の光導波路型変位検出装置
   において、前記処理回路は、前記第１および第２の検出
   部の出力を加算もしくは減算する回路であることを特徴
   とする光導波路型変位検出装置。
6. 【請求項６】請求項１に記載の光導波路型変位検出装置
   において、前記第１のダブルモードチャネル導波路の長
   さＬは、前記ダブルモード導波路を伝搬する偶モードと
   奇モードの間の完全結合長をＬ_cとするとき、 Ｌ＝Ｌ_c（２ｍ₁＋１）／２ （ｍ₁＝０，１，２， …） で表され、前記第２のダブルモードチャネル導波路の長
   さＬは、前記ダブルモードチャネル導波路を伝搬する偶
   モードと奇モードの間の完全結合長をＬ_cとするとき、 Ｌ＝Ｌ_c（２ｍ₂＋１）／２ （ｍ₂＝０，１，２， …） で表されることを特徴とする光導波路型変位検出装置。
7. 【請求項７】請求項１に記載の光導波路型変位検出装置
   において、前記第１および第２のダブルモードチャネル
   導波路の端面と、前記試料表面との間には、１つのビー
   ムスプリッタが配置され、前記ビームスプリッタは、前
   記第１および第２のダブルモードチャネル導波路の端面
   から出射された前記第１および第２の照明光を前記試料
   表面に照射するとともに、その反射光を前記第１および
   第２のダブルモード導波路の端面に入射させるように位
   置合わせされていることを特徴とする光導波路型変位検
   出装置。