JP2007199071A - 物体の光学的測定方法と光学測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定ビームによる測定物体へのエネルギー伝達の悪影響を減少させることを可能にする、物体の光学的測定方法及び光学測定装置を提供すること。
【解決手段】干渉計２０と、干渉計からの重畳ビームを入力する光検出器１６と、光検出器の測定信号を処理する信号処理ユニット１７が備えられた光学測定装置。干渉計は、ビーム制御信号入力部１８に印加されているスイッチング信号に応じて測定ビームを測定ビーム射出口１２から出射させるように構成され、かつ信号処理ユニット１７は前記ビーム制御信号入力部１８と接続されたビーム制御信号出力部を有し、測定信号の測定中のみに測定用の所定の光強度ならびに所定の角度で測定ビーム射出口１２からビームが出射されるように干渉計２０を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定ビームを物体上の測定点に照射して反射されてきた反射ビームを参照ビームと重ね合わせた重畳ビームが入力する光検出器の測定信号を測定して、物体の光学的測定、特には物体の動きを測定する光学的測定方法、及び光学測定装置に関する。

このような光学測定装置は光源を備えた干渉計を備えており、この干渉計は光源から発生したビームが少なくとも２つの分割ビームに分割されるように構成されている。

第１の分割ビームは測定されるべき物体上の測定点を照射するための測定ビームとして使用される。そのため測定ビームは基本的に所定の角度で干渉計から出射される。物体によって反射された測定ビームは反射ビームとして反射ビーム入射口を通って干渉計に入射し、干渉計内で第２の分割ビームと重ね合わされる。重ね合わせで得られた重畳ビームは重畳ビーム送出口を通って干渉計から送り出される。

干渉計から送り出された重畳ビームを入力する測定装置は、この重畳ビームが当たるように干渉計の重畳ビーム送出口に対応して配置された光検出器を有している。

この測定装置の信号処理ユニットは前記光検出器と接続され、光検出器の測定信号を測定する。この測定装置における測定とは、測定信号の記録、信号処理、評価処理などの処理、及びその組み合わせを意味している。

上述した本発明の背景技術となる代表的な測定装置においては、光源は実質的に単色のビームを発生するレーザとして形成されている。分割ビームの片割れである第２の分割ビームと反射ビームとを重ね合わせた重畳ビームを検出することによって光検出器に干渉信号が生じ、この干渉信号に対する処理、たとえば復調によって２つの重ね合わされた信号の位相差を求めることができ、この位相差は結果的に測定点の領域における物体の変位を導くことができる。

さらに、位相差の時間導関数の復調によって物体の測定点の運動の瞬時速度を決定することができる。

上記の測定が実施される精度は複数のパラメータに依存している。

走査法によって測定物体上の複数の点が順次に測定される場合、局部分解能は基本的に測定スポットの大きさ、つまり測定物体の測定点に当たるときの測定ビームの直径に依存している。

たとえばナノテク分野における非常に小さな構造が測定される場合、測定スポットは最大でミクロ構造の大きさにほぼ相当するサイズを有することが重要である。もしもミクロ構造において、たとえば走査法で横方向分解能が要求される場合には、測定スポットサイズのさらなる低減が不可欠である。典型的なミクロ構造に対しては１μｍ以下の測定スポット直径が要される。

ただし、測定精度は光検出器によって測定された信号の品質にも依存している。この品質もまた反射ビームの強度に依存しており、したがって、測定物体が測定ビームによって照射される強度にも依存していることにもなる。

特にナノテク分野における微小な構造の振動測定には、良好な信号−雑音比を得るために、高強度の測定ビームが必要である。これは、測定スポットに求められる小直径要件と関連して、測定物体上における高い単位面積当たりビーム密度を要求することになる。

物体の光学的測定を行うための従来の光学測定装置での測定によれば、高い単位面積あたりビーム密度によって測定物体への高いエネルギー伝達が生じ、これによって、測定エラーおよび、特に測定対象としてのミクロ構造における破壊が生じうる。

上記実情に鑑み、本発明の目的は、測定の品質を改善し、特に測定ビームによる測定物体へのエネルギー伝達の悪影響を減少させることを可能にする、物体の光学的測定方法及び光学測定装置を提供することである。

物体の光学的測定を行う光学測定装置であって、測定ビーム射出口と、反射ビーム入射口と、重畳ビーム送出口と、ビームを発生させる光源とを有する干渉計が備えられ、その際、前記干渉計は、光源によって発生させられたビームが少なくとも２本の分割ビームに分割され、第１の分割ビームは測定ビーム射出口から所定の角度で出射し、第２の分割ビームと反射ビーム入射口を通って入射する反射ビームとを重ね合わせた重畳ビームを重畳ビーム送出口から送り出すように構成され、さらに、前記重畳ビーム送出口から送り出されたビームが当たるように前記重畳ビーム送出口に対応して光検出器が配置されるとともに、前記光検出器の測定信号を記録または処理あるいはその両方を行う信号処理ユニットが備えられた光学測定装置において、前記目的を達成するため本発明では、
前記干渉計はビーム制御信号入力部を有し、このビーム制御信号入力部に印加されているスイッチング信号に応じてビームを測定ビーム射出口から所定の光強度ならびに所定の角度で出射させるように構成され、かつ前記信号処理ユニットは前記ビーム制御信号入力部と接続されたビーム制御信号出力部を有し、前記測定信号の測定中のみに測定用の所定の光強度ならびに所定の角度で測定ビーム射出口からビームが出射されるように前記干渉計を制御する。
また、発生させたビームを少なくとも測定ビームと参照ビームとに分割する第１ステップと、前記測定ビームを物体上の測定点に照射する第２ステップと、前記物体によって反射された測定ビームを前記参照ビームと重ね合わせた重畳ビームを光検出器に当てる第３ステップと、前記光検出器の測定信号を測定する第４ステップとからなる、物体の光学的測定方法において、前記目的を達成するため本発明では、
前記第４ステップの測定プロセスは少なくとも時間ｔ_minにわたって実施され、その際前記物体はこの時間中測定ビームによって照射され、前記時間ｔ_minは所定の最小周波数ｆ_minの逆数に等しく、かつ、前記第４ステップの測定プロセスの直後に測定ビームの強度は所定の倍率だけ減少させられる。

本発明による測定装置の好適な実施態様の例は、特許請求の範囲の請求項として列記されている。

つまり、本発明は、光学測定装置の干渉計がビーム制御信号入力部を有し、ビーム制御信号入力部に印加されているスイッチング信号に応じてビームが測定ビーム射出口から実質的に所定の強度ならびに所定の角度で出射するように干渉計が構成されている点で、従来の技術とは根本的に相違している。

本発明による光学測定装置の信号処理ユニットは干渉計のビーム制御信号入力部と接続されたビーム制御信号出力部を有している。信号処理ユニットによる測定信号の測定中に、該ユニットは干渉計を制御して、測定用に測定ビーム射出口から実質的に所定の角度ならびに所定の強度でビームが出射するようにする。

測定が完了すると信号処理ユニットは干渉計を制御して、実質的に所定の強度または所定の角度でいかなるビームも測定ビーム射出口から出射しないようにする。

たとえば、信号処理ユニットは測定の間のみスイッチング信号を干渉計に送信し、かつ干渉計はビーム制御信号入力部に測定信号が印加されている場合にのみビームが測定ビーム射出口から基本的に所定の角度ならびに所定の測定強度で出射するように形成されていてよい。スイッチング情報の別途伝送形態たとえばスイッチング信号の反転も可能であることは言うまでもない。

干渉計はたとえば、干渉計のビーム制御信号入力部にスイッチング信号が印加されていなければ測定ビーム射出口からビームは出射しないか、又は、例えば測定ビーム射出口からビームは出射するが、ただし所定の角度とは異なった角度で出射するために、測定物体上の測定点は測定ビームによって照射されることがないように構成されていてよい。

重要な点は、干渉計のビーム制御信号入力部にスイッチング信号が印加されていなければ、測定用の所定の強度では出射しない及び／又は所定の角度では測定ビーム射出口から測定ビームを出射しないことであり、この条件には所定以外の角度で所定の強度で測定ビームを出射することも含まれる。つまり、ビーム制御信号入力部にスイッチング信号が印加されていなければ、測定物体上の測定点に物体に損傷を与えるような強度の測定ビームを照射しないことである。

これにより、測定点の領域における、測定されるべき物体へのエネルギー伝達の大幅な減少が生ずる。というのも、測定が完了すると測定点はもはや照射されないかまたはフル強度で照射されることがないために、特に測定点の領域における測定物体の加熱はもはや生ずることがないからであり、したがって、この種の加熱または測定物体の破壊による測定信号の疑似化（破壊による信号変化を物体変位による信号変化とみなしてしまうようなエラー）を回避することが可能である。

好適な実施形態の１つでの干渉計は、測定ビームのビーム経路に配置された調光デバイスを有している。調光デバイスはビーム制御信号入力部と接続されて、スイッチング信号が印加されていなければ測定ビームの強度は減少させられるように構成されている。したがって、スイッチング信号が印加されている場合、つまり測定信号の測定中は、測定ビームは実質的な強度損失なしに調光デバイスを通過し、他方、スイッチング信号が印加されていなければ測定ビームの強度は所定の倍率だけ低下させられる。

好ましい実施形態では、その強度は、スイッチング信号が印加されていなければ、調光デバイスにより少なくとも９０％だけ、特に少なくとも９８％だけ、特に最高で少なくとも９９％だけ減少させられ、換言すれば、測定ビームの強度は調光デバイスの通過後には出力強度の１０％、特に２％、最も低くて１％となる。

同じく調光デバイスはスイッチング信号が印加されていない場合に測定ビームの強度を０にまで減少させ、つまり測定ビームを遮断することが可能である。

スイッチング信号が印加されていない場合の測定ビーム強度の減少は、完全な遮断に比較して、測定系、たとえば評価ユニットが測定ビームの強度減少時にも測定準備調整、たとえば補正もしくは初期化プロセスを実施してしまうことができるため、これらのプロセスをフル強度の測定ビームによる本来の測定時に行わずにすみ、それによって、測定時間が短縮されるとともにフル出力の測定ビームによる測定物体へのエネルギー伝達が減少するという利点が得られる。同じく、測定ビームの強度減少時に、測定物体のポジショニング、つまり測定ビームに対する測定物体の相対配向、ならびに測定ビームの集束化も可能である。

本発明による装置によって初めて、高強度の測定ビームであると同時に測定物体上に直径１μｍ以下の測定スポットをつくりだすことのできる直径を有した測定ビームの使用が可能になる。これにより、測定時に高い測定精度を達成することができる。同じく、もっと大きな直径の測定スポットの使用時にも、測定物体へのエネルギー伝達による測定における上述した疑似信号の問題なしに測定ビームの光強度を高めることができるため、同じく測定精度の向上が達成される。

振動測定に際し、測定可能な最小振動周波数は測定時間に依存している。測定時間が長くなればなるほど、ますます小さな最小振動周波数を測定プロセスによって求めることができる。

したがって、特別な実施形態の１つにおいて、信号処理ユニットは少なくとも時間ｔ_minにわたって光検出器の測定信号を測定するように形成されている。この場合、ｔ_minは所定の最小振動周波数ｆ_minつまり測定分解能というべき測定すべき最小振動周波数の逆数に等しい。

測定物体への過度に高いエネルギー伝達あるいは測定物体の破壊による測定の疑似化問題を回避するため、１回の測定プロセスに関する最大時間は予め設定されているのが好適である。したがって、さらに別の好適な実施形態の１つにおいて、信号処理ユニットはせいぜい所定の最大時間ｔ_maxにわたって光検出器の測定信号を測定するように形成されている。

この場合、最大時間ｔ_maxは測定されるべき物体に関する経験値に基づいてプリセットすることができる。

ただし、最大時間ｔ_maxは以下の式（式Ａと称する）

から算出するのが特に有利である。

このため、最大温度差Ｔ［℃］、熱容量ｃ［Ｊ／ｋｇ／Ｋ］、密度ρ［ｋｇ／ｍ^３］、測定ビーム直径ｄ_M［ｍ］、長さｌ［ｍ］、熱伝導率η［Ｗ／ｍ／Ｋ］、吸収係数ａ［無単位］および干渉計の測定ビーム射出口で出射する測定ビームの測定ビーム出力Ｐ_M［Ｗ］に関するそれぞれの値が予め与えておく。

測定物体の材料パラメータρ、ｃ、ａおよびηが既知であれば、それらの値は直接上記の式Ａに代入することができる。代表的なケース、特にナノテクに関連する構造の測定にあたって、測定物体は実質的にケイ素からなっているため、好ましくは材料パラメータとしてはケイ素に関する値が選択され、その場合、ρはほぼ２．３３ｋｇ／ｍ^３、ｃはほぼ６７０Ｊ／ｋｇ／Ｋ、ａはほぼ１およびηはほぼ１５０Ｗ／ｍ／Ｋである。

測定物体がその他の材料からなる場合に当該の既知の材料パラメータを使用することも本発明の範囲に属することは言うまでもない。

測定ビーム直径ｄ_Mは好ましくは干渉計の測定ビーム射出口から出射される測定ビームの直径とする。

さらに別の好適な実施形態の１つにおいて、干渉計は、物体上の測定点の直径の減少が達成されるように測定ビームの集束を可能にする集束装置を有している。このために集束装置は、測定ビーム射出口から出射される測定ビームが集束されており、特に、物体上の測定点が集束装置のほぼ焦点に位置させることでできるだけ小さな測定スポットがつくられるように、集束装置は干渉計のビーム経路に配置される。

好ましくは干渉計の光源は波長λの実質的に単色のビームを発生するように構成されている。前述した集束装置との組み合わせにより、測定点における測定ビーム直径ｄ_Mつまり測定スポット直径は以下の式、（式Ｂと称する）

（式中、ＮＡは基本的に集束装置の開口数に等しい）によって算出することができる。

さらに別の好適な実施態様の１つにおいて、光源はコヒーレンス長の短い光を発生するように形成されている。この場合、光源から送出されたビームは一義的な波長を有しておらず、むしろ異なった波長の部分ビームから合成されているが、それにもかかわらず、λに関して、発生させられたビームの平均波長を使用することにより、式Ｂによる測定スポット直径の算出が可能である。

所定の長さｌは好ましくは少なくともｄ_Mであり、特に好ましいのは、ｄ_Mの２０倍である。これは特にミクロ構造の測定に際して有利である。というのもこの場合、基準値としての、測定されるべき構造の一次元の広がりは測定スポットの直径のほぼ２０倍と推定し得るからである。

上記の式Ａ中の変数Ｔはミクロ構造と周囲との間で最大限に達成される最大温度差を表している。この最大温度差が高ければ高いほど、結果する許容最大測定時間ｔ_maxもますます大きくなる。

上述したような疑似化された測定結果を回避するため、最大温度差Ｔを５００℃以下に選択するのが基本的に好都合である。ただし、特にケイ素からなるミクロ構造の測定にあたり、経験値はミクロ構造の個々の要素の破壊を回避するため１００℃の温度差を超えてはならないとされる。

さらに別の好適な実施形態の１つにおいて、信号処理ユニットはそれぞれ測定信号の記録が行われる少なくとも２回の測定プロセスが順次に実施されるように形成されている。これら２回の測定プロセスの間に少なくとも所定の時間ｔ_Pの一時休止（ポーズ）が実施され、その間、測定信号の記録は行われず、したがって信号処理ユニットから干渉計のビーム制御信号入力部にいかなるスイッチング信号も出力されない。それゆえ、これら２回の測定プロセスの間の一時休止中、物体上の測定点は測定ビームによる照射を受けない。

これは、複数の測定の順次実施を可能にし、たとえば複数の測定全体に及ぶ平均化によって測定結果の精度を高める。

これら２回の測定プロセスの間の一時休止中、測定されるべき物体の測定点の領域は冷えるため、測定物体の昇温は少なくなる。

経験上、２測定プロセスの間の時間ｔ_Pは温度が測定プロセス終了時の温度のほぼ１／ｅ（ ｅ：ネイピア数）に低下するように設定されているのが有利である。１／ｅへの低下に必要な時間は式Aに関連して述べたパラメータを用い、以下の式（式Ｃと称する）

によって評価することができる。したがって、測定プロセスの間の時間ｔ_Pは少なくとも式Ｃによって算出された値に一致させるのが好都合である。

通例、本発明による光学測定装置において、干渉計のビーム制御信号入力部にスイッチング信号が出力された後直ちに、光検出器の測定信号出力に信号処理ユニットによって測定される測定信号が印加されていることはない。それは、一つには、干渉計の内部スイッチングプロセスによって、ビーム制御信号入力部にスイッチング信号が印加されてから測定ビームが干渉計から出射するまでに一定の時間を要するからである。加えてさらに、重ね合わされた重畳ビームが光検出器に当たり、光検出器が測定情報を測定信号としてその出力に出力するまでに一定時間が経過するからである。

こうした理由から、信号処理ユニットは準備時間ｔ_vorに関する測定データの記録の前に干渉計のビーム制御信号入力部にスイッチング信号を出力するのが好ましい。準備時間ｔ_vorは上記の経過時間、つまり信号走時ならびに光学素子による遅れのいずれをも考慮して設定される必要がある。

こうして、信号処理ユニットによる測定データ記録の開始時に直ちに評価可能な測定信号が光検出器から読み出されるようにすることが保証される。

いうまでもなく、干渉計のビーム制御信号入力部へのスイッチング信号の出力と直結して測定データの記録を開始することも本発明の範囲に属している。ただし、この場合、上記の準備時間の間に記録される測定データは評価から除外される。というのも、これらのデータでは有意な評価はできないからである。

さらに別の好適な実施形態の１つにおいて、本発明による光学測定装置は、干渉計の光源としてスイッチ式光源を採用しており、光源はスイッチング信号に応じてビームを発生させる。このために光源は、干渉計のビーム制御信号入力部と接続されるスイッチング信号入力部（制御信号入力部）を有し、結果的に信号処理ユニットと制御的に接続されている。

いずれにせよ、干渉計は、ビーム制御信号入力部と接続されるとともに干渉計のビーム経路に配置された光学スイッチング素子を備え、この光学スイッチング素子が、スイッチング信号が印加されていれば測定ビーム射出口から所定の角度で測定ビームを出射させ、スイッチング信号が印加されていなければ測定ビーム射出口から所定の角度でいかなる測定ビームも出射しないようにすると、特に好適な実施形態となる。

この場合、光学スイッチング素子に複数の具体構成が考えられるとともに、該スイッチング素子を配置し得る箇所も様々なところで可能である。

たとえば、光学スイッチング素子が測定装置の装置ユニットの外部、たとえば測定物体の直近に配置され、柔軟な中継線または別途方法の信号伝送によって干渉計のビーム制御信号入力部と接続されているのも本発明の範囲に属する。この場合、干渉計との機能的連係により、光学スイッチング素子は干渉計の測定ビーム射出口と見なすことができる。というのも、確かにスイッチング信号（ビーム制御信号）とは無関係に干渉計と光学スイッチング素子との間に測定ビームが存在するとはいえ、干渉計のビーム制御信号入力部にスイッチング信号（ビーム制御信号）が印加されている場合にのみ測定ビームは光学スイッチング素子から（したがって、干渉計の測定ビーム射出口から）実質的に所定の角度で出射して、測定点を照射するからである。

ただし、光学スイッチング素子は干渉計の内部に、光学スイッチング素子の状態に応じて、つまり干渉計のビーム制御信号入力部へのスイッチング信号（ビーム制御信号）の印加に応じて測定ビームが干渉計から出射するように、干渉計のビーム経路に配置されるのが、特に好適である。

好ましい実施形態の１つにおいて、光学スイッチング素子はビームトラップと組み合わされたそれ自体公知に属するブラッグセルとして形成されている。ブラッグセルは干渉計のビーム制御信号入力部と接続され、ブラッグセルとビームトラップとはスイッチング信号が印加されていれば測定ビームが干渉計の測定ビーム射出口から出射するよう、干渉計のビーム経路に配置されている。

他方、干渉計のビーム制御信号入力部にスイッチング信号が印加されていない場合には、ブラッグセルを通過するビームはブラッグセルによって偏向されてビームトラップに達するため、干渉計の測定ビーム射出口から測定ビームが出射することはない。

さらに別の有利な実施形態の１つにおいては、光学スイッチング素子はたとえばそれ自体公知に属する機械式絞りの形の機械式シャッタとして形成されている。光学スイッチング素子を電気光学シャッタ、とりわけそれ自体公知に属する偏光子付液晶回転体として形成することも同じく本発明の範囲に属する。この実施形態において、偏光子付液晶回転体は液晶回転子にスイッチング信号が印加されている場合にのみ液晶回転子の偏光が偏光子と一致し、つまりビームが液晶回転子と偏光子とを通過し得るように形成されている。他方、液晶回転子にスイッチング信号が印加されていなければ、偏光子と組み合わされた液晶回転子は絞りとして作用し、ビームは通過しない。

さらに別の好適な実施形態の１つにおいて、測定装置はレーザドップラー振動計として形成されている。このため、光源はレーザとして形成されており、信号処理ユニットはそれ自体公知に属する復調器によって、光検出器に入力される重畳ビームの位相差を算出する。

さらに、干渉計を第２の分割ビームと第１の分割ビームとの間に時間的に不変の周波数差が発生するようにして形成するのが好適である。これによってさらに、測定物体の測定点の運動方向を決定することができる。この場合、測定装置は基本構造の点でヘテロダイン・レーザドップラー振動計と同じである。

さらに別の好適な実施形態の１つにおいて、光学測定装置は物体上の複数の測定点が順次に測定されるように形成されている。この種の走査式測定法により、測定物体を点状にスキャンし、各々の点につき時間的に順次連続して測定を行うことができる。これはたとえば、測定装置が測定されるべき物体を記録するＸ−Ｙレコーダを有し、その変位面は干渉計の測定ビーム射出口で出射する測定ビームに対して垂直をなしていることによって実現される。このＸ−Ｙレコーダは、各々の測定プロセスにつき測定ビームに対する測定物体の相対ポジショニングを制御する信号処理ユニットと接続されている。

さらに別の好ましい実施形態の１つにおいて、測定装置は走査型共焦点レーザドップラー振動計として構成される。この種の振動計の基本構造は
Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ Ｒｅｍｂｅ， Ａｌｅｘａｎｄｅｒ Ｄｒａｅｂｅｎｓｔｅｄｔ，“Ｔｈｅ Ｌａｓｅｒ‐Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｃｏｎｆｏｃａｌ Ｖｉｂｒｏｍｅｔｅｒ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ IV、ＳＰＩＥ Ｖｏｌ.５８５６、１３−１７ Ｊｕｎｉ、Ｍｕｎｉｃｈ、Ｇｅｒｍａｎｙ、ｐｐ.６９８−７０９
から知られている。その光学測定装置は、上述したように、測定物体上の測定点への測定ビームの集束を可能にする集束装置を有している。共焦点仕様によって、測定物体によって反射されるが集束装置の焦点面にないビームは消去される。結果として、散乱光の顕著な減少が達成され、こうして本発明による装置の有効分解能とともに測定信号の品質が向上する。

以下、添付図面を参照して、この発明の１つ実施例を詳しく説明する。

図１に示した実施例では、光学測定装置はヘテロダイン・レーザドップラー振動計として形成されている。

ヘテロダイン・レーザドップラー振動計としての光学測定装置の干渉計２０は、レーザ源として形成された光源１と、第１の偏光ビームスプリッタ２と、第２の偏光ビームスプリッタ３と、ビームスプリッタ４と、偏向鏡５と、λ／４波長板６と、顕微鏡対物レンズとして形成された集束装置７とを備えている。レーザ源１は、波長λの単色のビーム８を発生させ、該ビーム８は第１のビームスプリッタ２によって第１の分割ビーム９と第２の分割ビーム１０とに分割される。第１の分割ビーム９は、ブラッグセル１１と、第２の偏光ビームスプリッタ３と、λ／４波長板６と、顕微鏡対物レンズ７とを通過する。その後に第１の分割ビーム９は測定ビームとして干渉計の測定ビーム射出口１２から出射され、測定されるべき物体１３ａの測定点１３に当たる。

物体によって反射された測定ビーム（つまり、反射ビーム）は、本実施例において測定ビーム射出口１２と同一である反射ビーム入射口１４を通って再び干渉計２０に入射し、顕微鏡対物レンズ７とλ／４波長板６とを通過し、第２の偏光ビームスプリッタ３によってビームスプリッタ４に向かって偏向され、このビームスプリッタを通過した後に、干渉計２０の重畳ビーム送出口１５に達する。

第２の分割ビーム１０は偏向鏡５によって同じくビームスプリッタ４に向かって偏向され、ビームスプリッタ４において反射ビームと重なり合う結果、重畳ビーム１５として重畳ビーム送出口１５を通じて干渉計から送り出される。

顕微鏡対物レンズ７は物体１３ａの測定点１３に対して、測定ビームが測定点１３に集束されるように配置されている。

この光学測定装置はさらに光検出器１６を備えている。この光検出器１６は、重畳ビーム送出口１５から入力した重畳ビーム１５がその測定面に当たるように重畳ビーム送出口１５に対応させて配置されている。

本実施例において、光検出器１６は入ってきた重畳ビームの強度に応じて測定信号を出力するように構成されている。

測定装置はさらに、光検出器１６の測定信号を測定するための、光検出器１６と接続された信号処理ユニット１７を有している。

ブラッグセル１１によってブラッグセル１１の通過時に第２の分割ビーム１０に対する第１の分割ビーム９の周波数シフトが生ずる。これによってドップラー干渉計はヘテロダイン・ドップラー干渉計となるため、信号処理ユニット１７は光検出器１６の測定信号の評価によって測定点１３の運動の方向も求めることができる。

ここで重要なことは、干渉計２０が、一方で信号処理ユニット１７のビーム制御信号出力部と接続されているとともに他方でブラッグセル１１と接続されているビーム制御信号入力部１８を有していることである。

ブラッグセル１１は、信号処理ユニット１７によって出力されたスイッチング信号（ビーム制御信号；変調信号）がブラッグセル１１に印加されている場合には、第１の分割ビーム９は実線で表された経路を通ってブラッグセル１１を通過するように形成されている。他方、干渉計２０のビーム制御信号入力部１８にスイッチング信号（ビーム制御信号；変調信号）が到達せず、その結果ブラッグセル１１にスイッチング信号（ビーム制御信号；変調信号）が印加されていない場合には、第１の分割ビーム９は破線で表したように偏向されるため、第１の分割ビーム９はビームトラップ１１ａで止まってしまう。したがって、後者の場合には、干渉計の測定ビーム射出口１２から測定ビームが出射しない。

信号処理ユニット１７は、測定中は干渉計２０のビーム制御信号入力部１８にスイッチング信号を出力し、測定完了後は干渉計２０のビーム制御信号入力部１８にスイッチング信号を出力しないように構成されている。

この光学測定装置によって測定プロセスが実施される前に、最小測定時間ｔ_minと最大測定時間ｔ_maxとの算出を可能にするパラメータが信号処理ユニット１７に設定される。最小測定時間ｔ_minは最小分解周波数ｆ_minの逆数から得られる。

最大測定時間ｔ_maxは上述した式Aによって得られ、測定ビーム直径ｄ_Mはレーザ１によって発生したビーム８の波長λと顕微鏡対物レンズ７の開口数ＮＡとにより同じく上述した式Ｂによって決定される。

測定されるべき物体に応じて材料パラメータρ、ｃ、ａおよびηは予め設定される。測定されるべき物体がたとえば実質的にケイ素から作られている場合には、ケイ素に関する上記材料パラメータが予め設定される。

長さｌは測定ビーム直径ｄ_Mの２０倍として予め設定され、最大温度差Ｔはユーザによってオプショナルに設定されるかまたは１００℃に設定される。

これらの計算から、測定プロセスの最小および最大時間が得られる。算出された最大測定時間ｔ_maxが最小測定時間ｔ_minよりも大きいかぎり、測定はｔ_maxよりも小さいかまたはそれに等しい、ｔ_minの整数倍の時間で実施される。したがって、所与のｔ_minにつき、ｎ_max・ｔ_min≦ｔ_maxの条件下で、可能最大の整数ｎ_maxが求められる。かくて測定は測定時間ｎ・ｔ_minで実施することができ、その際、１とｎ_maxとの間の整数ｎ倍の値を選択することができる。

ただし、最大測定時間ｔ_maxが最小測定時間ｔ_minよりも小さい場合には、信号処理ユニット１７により（不図示の）出力ユニットを経てユーザに警報が出力される。

ユーザは、時間ｔ_maxによる複数の測定プロセスが順次実施される間に、所与の値を修正するかまたは測定モードを選択することができ、その際、測定プロセスの間にそれぞれ時間ｔ_maxの一時休止が実施され、その間、信号処理ユニットは干渉計２０のスイッチング信号を出力しないため、物体の測定点１３は一時休止の間、測定ビームで照射されることはない。

この場合、測定プロセスの合算時間が最小測定時間ｔ_minよりも大きくなるかまたはそれに等しくなるだけの測定プロセスがそれぞれ測定時間ｔ_maxで実施される。

本発明によるこの装置によって初めて、高いエネルギー伝達によって測定物体のミクロ構造を破損または破壊することなく、高集束度かつ同時に高強度の測定ビームで物体を測定することが可能になる。

これは特にナノテク分野などにおける物体測定に新たな次元の測定精度を切り拓くことを可能にする。というのも、場合によって生ずる被測定共振周波数は部材が小さくなるとともに高まるからである。したがって、ナノテク分野など微細技術における物体の測定には、測定品質、とりわけ信号／雑音比に高い要件が求められる高い測定帯域幅が必要である。本発明によって、従来実現不可能であった測定ビーム強度の引き上げによる測定信号品質の顕著な改善を達成することができるため、より高い測定帯域幅による測定が可能である。

光学スイッチング素子がビームトラップと組み合わされたブラッグセルとして形成されている、本発明による光学測定装置の１つの実施例を示すブロック図

符号の説明

１：光源
８：ビーム
９：第１の分割ビーム
１０：第２の分割ビーム
１１：ブラッグセル（調光デバイス；光学スイッチング素子）
１２：測定ビーム射出口
１３ａ：物体
１４：反射ビーム入射口
１５：重畳ビーム送出口
１６：光検出器
１７：信号処理ユニット
１８：ビーム制御信号入力部
２０：干渉計

Claims (32)

1. 物体の光学的測定を行う光学測定装置であって、
   測定ビーム射出口と、反射ビーム入射口と、重畳ビーム送出口と、ビームを発生させる光源とを有する干渉計が備えられ、その際、前記干渉計は、光源によって発生させられたビームが少なくとも２本の分割ビームに分割され、第１の分割ビームは測定ビーム射出口から所定の角度で出射し、第２の分割ビームと反射ビーム入射口を通って入射する反射ビームとを重ね合わせた重畳ビームを重畳ビーム送出口から送り出すように構成され、
   さらに、前記重畳ビーム送出口から送り出された重畳ビームが当たるように前記重畳ビーム送出口に対応して光検出器が配置されるとともに、前記光検出器の測定信号を記録または処理あるいはその両方を行う信号処理ユニットが備えられた光学測定装置において、
   前記干渉計はビーム制御信号入力部を有し、このビーム制御信号入力部に印加されているスイッチング信号に応じてビームを測定ビーム射出口から所定の光強度ならびに所定の角度で出射させるように構成され、かつ
   前記信号処理ユニットは前記ビーム制御信号入力部と接続されたビーム制御信号出力部を有し、前記測定信号の測定中のみに測定用の所定の光強度ならびに所定の角度で測定ビーム射出口から測定ビームが出射されるように前記干渉計を制御することを特徴とする光学測定装置。
2. 前記干渉計は、測定ビームのビーム経路に配置されるとともに前記ビーム制御信号入力部と接続された調光デバイスを有し、前記調光デバイスは、スイッチング信号が印加されていれば測定ビームを強度損失なしに通過させ、他方、スイッチング信号が印加されていなければ測定ビームの強度を所定の倍率だけ減少させることを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置。
3. 前記調光デバイスはスイッチング信号が印加されていなければ測定ビームの強度を少なくとも９０％だけ減少させることを特徴とする請求項２に記載の光学測定装置。
4. 前記調光デバイスはスイッチング信号が印加されていなければ測定ビームを遮断することを特徴とする請求項３に記載の光学測定装置。
5. 前記信号処理ユニットは少なくとも時間ｔ_minにわたって前記光検出器の測定信号を測定し、その際、ｔ_minは所定の最小振動周波数ｆ_minの逆数に等しいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学測定装置。
6. 前記信号処理ユニットは所定の最大時間ｔ_maxにわたって前記光検出器の測定信号を測定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学測定装置。
7. 前記最大時間ｔ_maxは、最大温度差Ｔ、熱容量ｃ、密度ρ、測定ビーム直径ｄ_M、長さｌ、熱伝導率η、吸収係数ａおよび前記干渉計の測定ビーム射出口から出射される測定ビームの測定ビーム出力Ｐ_Mをパラメータとして、以下の式、
   

   

   から算出されることを特徴とする請求項６に記載の光学測定装置。
8. 材料パラメータρ、ｃ、ａおよびηに関しては、測定物体の材料パラメータに一致する値が選択され、測定物体がケイ素である場合ρはほぼ２．３３Ｋｇ／ｍ^３、ｃはほぼ６７０Ｊ／ｋｇ／Ｋ、ａはほぼ１およびηはほぼ１５０Ｗ／ｍ／Ｋであることを特徴とする請求項７に記載の光学測定装置。
9. 前記測定ビーム直径ｄ_Mは前記干渉計の測定ビーム射出口で出射する測定ビームの直径であることを特徴とする請求項７又は８に記載の光学測定装置。
10. 前記干渉計には、測定ビーム射出口から出射される測定ビームが集束されるようにそのビーム経路に集束装置が配置されており、前記干渉計の光源は波長λの単色のビームを発生するかまたは複数の波長の分割ビームからなるビームでその分割ビームの波長の平均値がほぼλであるビームを発生し、測定ビーム直径ｄ_Mは以下の式
    

    

    ここで、ＮＡは集束装置の開口数である、
    によって求められることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の光学測定装置。
11. 前記所定の長さｌは少なくともｄ_Mであり、とりわけ、ｌはｄ_Mのほぼ２０倍であることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載の光学測定装置。
12. 前記所定の最大温度差Ｔは最大で５００℃であることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一項に記載の光学測定装置。
13. 前記信号処理ユニットは少なくとも２測定プロセスをそれぞれ測定信号の記録によって実施し、２測定プロセスの間に少なくとも所定の時間ｔ_Pの一時休止が実施され、その間、測定信号の記録は行われず、かつ前記干渉計のビーム制御信号入力部にスイッチング信号が出力されず、前記ｔ_Pは少なくとも次式
    

    

    を満たすものであることを特徴とする請求項６〜１２のいずれか一項に記載の光学測定装置。
14. 前記信号処理ユニットは、準備時間ｔ_vorで示される測定データ記録の前準備期間において前記干渉計のビーム制御信号入力部にスイッチング信号を出力することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光学測定装置。
15. 前記干渉計は、前記ビーム制御信号入力部と接続されるとともに前記干渉計のビーム経路に配置された光学スイッチング素子を備えており、前記光学スイッチング素子はスイッチング信号が印加されていれば前記測定ビーム射出口から所定の角度で測定ビームを出射させ、スイッチング信号が印加されていなければ測定ビーム射出口から所定の角度でいかなる測定ビームも出射しないようにすることを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置。
16. 前記光学スイッチング素子はブラッグセルまたは機械式シャッタであることを特徴とする請求項１５に記載の光学測定装置。
17. 前記光学スイッチング素子は電気光学シャッタ、とりわけ偏光子付液晶回転体として形成されていることを特徴とする請求項１５に記載の光学測定装置。
18. この光学測定装置が振動計として構成されていることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載の光学測定装置。
19. 前記振動計はヘテロダイン干渉計として形成されていることを特徴とする請求項１８に記載の光学測定装置。
20. この光学測定装置が走査型共焦点レーザドップラー振動計として構成されていることを特徴とする請求項１８に記載の光学測定装置。
21. 発生させたビームを少なくとも測定ビームと参照ビームとに分割する第１ステップと、前記測定ビームを物体上の測定点に照射する第２ステップと、前記物体によって反射された測定ビームを前記参照ビームと重ね合わせた重畳ビームを光検出器に当てる第３ステップと、前記光検出器の測定信号を測定する第４ステップとからなる、物体の光学的測定方法において、
    前記第４ステップの測定プロセスは少なくとも時間ｔ_minにわたって実施され、その際前記物体はこの時間中測定ビームによって照射され、前記時間ｔ_minは所定の最小周波数ｆ_minの逆数に等しく、かつ、
    前記第４ステップの測定プロセスの直後に測定ビームの強度は所定の倍率だけ減少させられることを特徴とする光学的測定方法。
22. 前記第４ステップの測定プロセスの直後に、前記測定ビームの強度は少なくとも１／１０に減少させられることを特徴とする請求項２１に記載の光学的測定方法。
23. 前記第４ステップの測定プロセスの直後に前記物体の測定点はもはや測定ビームで照射されないことを特徴とする請求項２１又は２２に記載の光学的測定方法。
24. 前記第４ステップの測定プロセスはせいぜい所定の最大時間ｔ_maxの時間にわたって続けられることを特徴とする請求項２１〜２３のいずれか一項に記載の光学的測定方法。
25. 前記最大時間ｔ_maxは、最大温度差Ｔ、熱容量ｃ、密度ρ、測定ビーム直径ｄ_M、長さｌ、熱伝導率η、吸収係数ａおよび測定ビーム射出口で出射する測定ビームの測定ビーム出力Ｐ_Mをパラメータとして、以下の式
    

    

    から算出されることを特徴とする請求項２４に記載の光学的測定方法。
26. 材料パラメータρ、ｃ、ａおよびηに関しては、測定物体の材料パラメータに基本的に一致する値が選択され、測定物体がケイ素出ある場合ρはほぼ２．３３ｋｇ／ｍ^３、ｃはほぼ６７０Ｊ／ｋｇ／Ｋ、ａはほぼ１およびηはほぼ１５０Ｗ／ｍ／Ｋであることを特徴とする請求項２５に記載の光学的測定方法。
27. 前記測定ビーム直径ｄ_Mは前記物体の測定点に当たる測定ビームの直径に等しいことを特徴とする請求項２５又は２６に記載の光学的測定方法。
28. 前記測定ビームは集束装置によって前記物体の測定点に集束させられ、前記測定ビームは波長λの単色のビームであるかまたは複数の波長の分割ビームからなるビームで分割ビームの波長の平均値はほぼλであり、測定ビーム直径ｄ_Mは以下の式
    

    

    ここで、ＮＡは集束装置の開口数である、
    によって求められることを特徴とする請求項２５又は２６に記載の光学的測定方法。
29. 前記長さｌは少なくともｄ_Mであり、とりわけ、ｌはｄ_Mのほぼ２０倍であることを特徴とする請求項２５〜２８のいずれか一項に記載の光学的測定方法。
30. 前記最大温度差Ｔは最大にて５００℃であることを特徴とする請求項２５〜２９のいずれか一項に記載の光学的測定方法。
31. それぞれ光検出器の測定信号が測定される少なくとも２測定プロセスが前記第４ステップで実施され、２測定プロセスの間に少なくとも所定の時間ｔ_Pの一時休止が実施され、その間、測定信号は測定されず、かつ物体上の測定点は測定ビームによって照射されず、前記ｔ_Pは少なくとも次式
    

    

    であることを特徴とする請求項２４〜３０のいずれか一項に記載の光学的測定方法。
32. 前記第４ステップにおいて光検出器の測定信号は光検出器のデータの準備時間ｔ_vorの経過後に初めて測定され、前記準備期間ｔ_vorの間、物体上の測定点は測定ビームで照射されることを特徴とする請求項２３〜３１のいずれか一項に記載の光学的測定方法。
    

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