JP2865880B2 - 干渉計センサ - Google Patents

干渉計センサ

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、請求項１の上位概念に
よる、有利には原子力顕微鏡に対する干渉計センサに関
する。
【０００２】
【従来の技術】原子力顕微鏡では、その表面が探査され
るべき試料がｘ−ｙ−ｚスキャナにセットされ、微細な
先端に対して軽く押圧される。この先端は板ばねに取付
固定されている。この板ばねのふれは種々の手段で測定
することができる。
【０００３】ＥＰ−Ａ−０２９０６４８号明細書から、
板ばねとその支持体を、電気量、例えばキャパシタンス
がふれによって変化するように構成することが公知であ
る。Ｒ．Ｅｒｌａｎｄｓｏｎ著の刊行物（Ｊ．Ｖａｃ．
Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ６（２），２６６（１９８
８））には干渉計的方法が記載されている。そのために
板ばねは測定先端の近傍で反射性に構成され、この測定
面にＦｉｚｅａｕ型干渉計の測定ビームが顕微鏡対物レ
ンズによってフォーカシングされる。顕微鏡対物レンズ
の反対側には、限界面を基準面として用いるプレートが
存在する。この基準面に対して垂直に到達する、近似的
に平行なレーザビームは分割立方体から到来する。分割
立方体は、測定面および基準面から反射された光を検出
器へ透過し、レーザから到来するビームを顕微鏡対物レ
ンズの方向へ方向転換する。分割立方体はそのために偏
光に依存して構成されており、分割立方体とプレートの
間にはλ／４プレートが配置されている。このプレート
は、ビームがレーザへ逆反射されるのを阻止する。検出
器により検出されたビーム出力は、測定ビームと比較ビ
ームとの干渉のため、他の干渉計からの測定面の距離に
依存する。従って測定面の距離変化の際に検出器信号の
変化が得られる。
【０００４】この公知の干渉計センサの欠点は、測定面
の小さな距離変化を、最大または最小ビーム出力が検出
器に達すると、十分に正確に測定できないことである。
その他、測定面および基準面により反射される光の大き
な波長差、高い波長安定性および大きなコヒーレンス長
が必要あり、従い高価なレーザが必要である。さらに、
大きな波長差は装置の大きな温度鋭敏性を生じさせる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、小さ
な距離変化を常に十分な精度で測定することができ、安
価で設計上小さなレーザしか必要とせず、温度の影響に
対しては可能な限り不感である干渉計センサを提供する
ことである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題は本発明により
次のように構成して解決される。すなわちビーム分割器
と基準面が顕微鏡対物レンズと測定面との間に配置され
ており、遅延素子が基準面と測定面との間に配置されて
おり、前記遅延素子は次のように構成されている、すな
わち、相互に垂直に偏光し、約λ／４の光路差を有する
２つの成分波が発生し、それにより２つの偏光方向にお
いて測定ビームと比較ビームとの間で約λ／４の光路差
の差異が生じるように構成されており、検出装置とし
て、偏光に依存するビーム分割器と２つの検出器とが設
けられているように構成して解決される。
【０００７】ビーム分割器および基準面を顕微鏡対物レ
ンズと測定面との間に配置する装置は、いわゆるＭｉｒ
ａｕ型装置構成から公知である。これは例えばＤＥ−Ｐ
Ｓ９６５ ６０７号明細書に記載されている。しかしこ
のＭｉｒａｕ型干渉装置は、顕微鏡プレパレートの（二
次元）インターフェログラムを形成するためだけのもの
として公知である。この装置では、プレパレートの表面
形状の探査が干渉縞を用いて行われ、干渉縞の経過から
表面のトポグラフが検出され得る。ここでは表面の探査
が取扱われる。
【０００８】しかし本発明では、実質的に点状の測定個
所に対して、距離変化を時間の関数として検出すること
を課題とする。トポグラフの時間的変化を画像評価を介
して検出することにより、前記課題に対してＭｉｒａｕ
型装置構成を採用しようとすれば、過度に大きく一部は
過剰のコストが生じる。というのは、トポグラフ自体は
この場合変化しないからである。過度に大きなコストを
回避しようとして、表面の実質的にへ点のみを取出せ
ば、上に述べた別の問題が生じる。すなわち、小さな変
化とその方向を十分な精度で確実に検出することが常に
はできない。このことは公知のＭｉｒａｕ型装置構成の
利用に際して点周囲の情報により一部補償できる。
【０００９】本発明では、遅延素子によって一方のビー
ムの偏光方向に対して垂直の偏光方向を有するビームを
遅延し、２つの検出器によって当該偏光方向においてビ
ームを別個に検出する。このことにより比較的僅かなコ
ストで課題が解決される。
【００１０】基準面を顕微鏡対物レンズと測定面との間
に配置し、それにより測定面と基準面との間の距離が小
さくなることによって、光源として、小さな波長および
小さなコヒーレンス長を有するレーザ、例えばレーザダ
イオードを使用することができる。
【００１１】本発明の有利な第１実施例によれば、レー
ザから発射されたビームは測定面ないし基準面にフォー
カシングされ、顕微鏡対物レンズおよびビーム分割器は
光軸に対して回転対称に照射される。
【００１２】第２実施例では、レーザから発したビーム
は小さな距離を置いて測定面ないし基準面の前方でフォ
ーカシングされ、それにより測定面および基準面から反
射されたビームが光軸上にフォーカシングされ、そこか
ら小面積のミラーにより検出装置へ方向変換される。
【００１３】第３の実施例では、顕微鏡対物レンズとビ
ーム分割器は、測定面ないし基準面へ向うビームによっ
て最大でも半分だけ照射され、検出装置へ向うビームに
よって最大で他方の半分が照射される。それにより往復
するビームが空間的に相互に分離される。
【００１４】遅延素子はビーム分割器と測定面との間、
またはビーム分割器と基準面との間に配置することがで
きる。またビーム分割器の部分反射層を支持するプレー
トまたは基準面の反射層を支持するプレートへ接着する
か、またはその自由表面に接合することができる。
【００１５】上に引用したＥｒｌａｎｄｓｏｎ著の刊行
物におけるλ／４プレートはまったく異なる課題を有す
ることを述べておく。そこでは単に、レーザビームがレ
ーザへ逆反射されるのを、偏光ビーム分割器と共働して
阻止するのに用いられるだけである。本発明における遅
延素子の使用法はむしろ、いわゆる直角位相信号を形成
するための公知の手段に相応する。これについては実施
例で詳細に説明する。
【００１６】勿論（２重通過に対する）遅延素子の光路
差は、λ／４のみならずλ／４＋ｎλ／２とすることも
できる。
【００１７】本発明の利点は、−Ｅｒｌａｎｄｓｏｎの
装置構成とは反対に−顕微鏡対物レンズに対して非常に
僅かな要求しか課せられないことである。というのは、
レンズ誤差は測定ビームおよび比較ビームの波頭を同じ
ように変形するからである。そのため干渉性は侵害を受
けない。本発明での顕微鏡対物レンズは公知のＭｉｒａ
ｕ型装置構成とは反対に−像を形成しないから、単一レ
ンズから構成することができ、それどころかプラスチッ
ク製とすることもできる。
【００１８】
【実施例】図１には１１によりレーザ、例えばコリメー
タを有するレーザダイオードが示されている。近似的に
平行なビーム束１１ａは一部が分割立方体（キューブ）
１２により検出器１３へ反射される。この検出器の唯１
つの役割りは、レーザから発射される出力を制御するこ
とである。この制御は、出力安定性が十分である場合、
または精度要求が低い場合は省略することができる。分
割立方体を通過する光束は、顕微鏡対物レンズにより反
射性の測定面１５にフォーカシングされる。収れんした
光束はビーム分割器１６ｓにより測定ビーム１１ｍと比
較ビーム１１ｖに分割される。比較ビームは基準面１７
ｒにより反射される。基準面は顕微鏡対物レンズから直
接出入するビームのほんの小さな一部のみをカットす
る。測定ビームと比較ビームは、ビーム分割器１６ｓに
よる反射の後、再び１つにされ、近似的に平行なビーム
として分割立方体１２へ戻る。この分割立方体により、
ビームは共に検出装置１８の方向へ反射される。
【００１９】ビーム分割器１６ｓは部分反射性の層を有
し、この層はガラス板１６に被着されている。有利な実
施例では、このガラス板へ遅延素子１６ｖ、例えば複屈
折性のポリビニールアルコール膜（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ
−ａｌｋｏｈｏｌｆｏｉｌｅ）がはめ込まれる。遅延素
子はその複屈折によって、相互に垂直な偏光を有する成
分波を生ぜしめる。この成分波には、２回通過する際に
約λ／４の光路差が生じる。この測定ビーム１１ｍの分
解により、２つの偏光方向に対して測定ビームと比較ビ
ームとの間に異なる光路差が生じる。この差異は約λ／
４である。図に示された実施例においては、偏光装置が
図平面中および図平面に垂直になるよう遅延素子を取付
けると有利である。
【００２０】検出装置１８では、偏光に依存するビーム
分割器１８ｓによって、一方の偏光方向を有するビーム
が一方の検出器１８ｄに、他方の偏光方向を有するビー
ムが他方の検出器１８ｅに導かれる。２つの偏光方向に
対する遅延素子により、約λ／４の光路差の差異が測定
ビーム１１ｍと比較ビーム１１ｖとの間に生じれば、検
出器１８ｄ，１８ｅは異なる信号を受信し、この信号に
より測定面１５の距離変化の方向と量について信頼度が
高く高精度の検出がされる。そのためには光源１１のビ
ームはビーム分割器１６ｓへ当る際、２つの偏光方向の
片方でのみ線形に偏光されてはならない。光源が均等に
線形に偏光されれば、この偏光方向は、遅延素子の偏光
方向へ近似的に同じビーム強度が及ぶように配置され
る。
【００２１】光源として、例えばＳｏｎｙ社のＳＬＤ２
０２Ｕを使用することができる。これのビームはほとん
ど完全に線形に偏光される。検出器としては、例えばＳ
ｉｅｍｅｎｓ社のケイ素フォトダイオードＢＰＷ３４Ｂ
が適している。
【００２２】遅延素子、例えばλ／４プレートによるビ
ームの２つの成分への分解、および偏光に依存するビー
ム分解器による２つの成分の分離は干渉計において、
Ｍ．Ｒｏｓｓ著のＬａｓｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ｓ，Ｖｏｌ．／１，８４頁（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅ
ｓｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ １９７１年から公知である。
直角位相信号としても公知のこの方法は以下の実施例で
詳細に説明する。
【００２３】測定面１５の光軸１０方向への距離変化
は、例えば検出器１８ｄにおいて測定ビームと比較ビー
ムの干渉により交流電圧信号を生ぜしめる。この信号は
直流電圧信号に重畳されており、以下の経過を有する。
【００２４】 Ｕ（ｄ）＝Ｕ１ ｓｉｎ（４πｄ／λ＋ψｏ） ここで、ｄは距離、λは使用するビームの波長、Ｕ１は
交流電圧信号の最大振幅そしてψｏは一定の位相角であ
る。このような信号によって、最大および最小距離変化
の近傍では正確に、またその方向を確実に検出すること
ができない。この欠点は、第２の検出器の交流電圧信号
の位相が約π／２ずれていれば第２の検出器により回避
される。というのは、この信号は第１の信号が極大値を
通過する個所で、経過において常に大きく明確な変化を
有しているからである。このように位相にずれた２つの
信号は遅延素子１６ｖにより次のようにして形成され
る。すなわち、遅延素子にて測定ビームの２つの偏光方
向に対して、λ／４の波長差ないしπ／２の位相差が２
度の通過の際に生じるようにして形成される。
【００２５】既述の装置ではビームの一部が光源へ逆反
射される。これは多くのレーザで阻止しなければならな
い。これはレーザ１１と分割立方体１２との間のＦａｒ
ａｄａｙ型アイソレータにより達成される。実質的によ
り安価なのは図２および図３に示した装置である。この
装置では往路と復路の幾何学的分離によりビームが光源
に逆反射されることがない。
【００２６】図２では、測定面１５から顕微鏡対物レン
ズ１４の距離が比較的にやや大きなことにより測定面が
対物レンズの焦点に入ることがない。これにより反射さ
れたビーム束が収斂され、従いビーム束の焦点では、ガ
ラス板上の小さなミラー３２ｓにより照射ビーム路から
方向変換される。方向変換された収斂されたビーム束
は、偏光に依存する分割立方体１８ｓの距離が大きい場
合、レンズ３３により標準化される。その他の構成は図
１に相応する。
【００２７】図３では、測定面１５ないし基準面１７ｒ
に向かうビーム束により、顕微鏡対物レンズ１４および
ビーム分割器１６ｓの最大で半分が照射され、測定面１
５ないし基準面１７ｒにより反射されるビーム束は顕微
鏡対物レンズ１４およびビーム分割器１６ｓの他方の半
分を通過する。その他の構成は方向変換ミラー２１まで
図１に相応する。
【００２８】遅延素子は−図１から図３に示すように−
ビーム分割器１６ｓと測定面１５との間に配置すること
ができる。この場合、λ／８小片をガラス板１６の裏面
に、またはλ／８膜をガラス板１６の２つの半部分の間
に結合することにより、ガラス板１６へ集積化すると有
利である。勿論、遅延素子を自立構成素子としてビーム
分割器１６ｓと測定面１５との間に配置することもでき
る。
【００２９】遅延素子はλ／８小片または膜として、ビ
ーム分割器と基準面の間に配置することができる。この
場合、遅延素子は測定ビームと比較ビームの分割前並び
にそれらの統合後で２つのビームに同じように作用し、
そのためビーム光路の当該部分で光路差の差違を生ぜし
めない。
【００３０】有利な実施例が図４に示されている。この
実施例ではλ／８分の１膜１６ｖがガラス板４７の２つ
の半部分の間に接合されている。これらの半部分ではビ
ーム分割器１６ｓとは反対側で、基準面１７ｒが反射層
の形で被着されている。この場合も勿論、遅延素子は自
立構成素子としてビーム分割器１６ｓと基準面１７ｒと
の間に配置することができる。
【００３１】遅延素子はまた、層５６ｓの形で構成する
こともできる。この層は同時に部分反射性であり、従い
ビーム分割器として使用される。基準面もまた反射性層
５７ｒとして構成される。この層は同時に遅延素子とし
て作用する。図５にはこのことが、遅延素子が２種の層
により構成された場合に対して示してある。しかしこの
ように遅延素子を構成することは、顕微鏡対物レンズ１
４と基準面１５まで続く素子（図３に示されているよう
に）が非回転対称に照射される場合のみ可能である。こ
れにより、ビームは上記の層に、光学的中央軸１０とは
異なる角度で達し、それにより斜めにビームが入射する
際のフレンネルの式から公知なように、ｓ偏光とｐ偏光
への分割が得られる。
【００３２】
【発明の効果】本発明により、小さな距離変化を、安価
なレーザを使用して十分な精度で検出することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザから発射されたビームが測定面ないし基
準面にフォーカシングされ、顕微鏡対物レンズとビーム
分割器が光軸に対して回転対称に照射される装置の模式
図。
【図２】レーザから発射されたビームが小さな距離を置
いて測定面ないし基準面の前方でフォーカシングされる
装置の模式図。
【図３】顕微鏡対物レンズおよびビーム分割器が、測定
面ないし基準面に達するビームにより一方の半部分のみ
が照射され、検出装置に達するにより他方の半部分のみ
が照射される装置の模式図。
【図４】遅延素子がプレートに接合され、このプレート
に基準面が反射性層として被着された実施例を示す図。
【図５】遅延素子が、ビーム分割器の一部反射性層およ
び基準面の反射性層により構成された実施例を示す図。
【符号の説明】
１１ レーザ １１ａ ビーム束 １２ 分割立方体 １３ 検出器 １４ 顕微鏡対物レンズ １５ 測定面 １６ｓ ビーム分割器 １１ｍ 測定ビーム １１ｖ 比較ビーム １７ｒ 基準面 １８ 検出装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01B 9/00 - 9/08 G01B 11/00 - 11/30 102

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 微細で反射性の測定面（１５）の距離変
    化を測定するための干渉計センサであって、光源（１
    １）、例えばレーザと、測定ビーム（１１ｍ）および比
    較ビーム（１１ｖ）へ分割するためのビーム分割器（１
    ６ｓ）と、基準面（１７ｒ）と、顕微鏡対物レンズ（１
    ４）と、検出装置（１８）とからなる、例えば原子行顕
    微鏡に対する干渉計センサにおいて、 ビーム分割器（１６ｓ）と基準面（１７ｒ）が顕微鏡対
    物レンズ（１４）と測定面（１５）との間に配置されて
    おり、 遅延素子（１６ｖ）が基準面（１７ｒ）と測定面（１
    ５）との間に配置されており、 前記遅延素子は次のように構成されている、すなわち、
    相互に垂直に偏光し、約λ／４の光路差（２回の通過の
    ために）を有する２つの成分波が発生し、それにより２
    つの偏光方向において測定ビーム（１１ｍ）と比較ビー
    ム（１１ｖ）との間で約λ／４の光路差の差異が生じる
    ように構成されており、 検出装置（１８）として、偏光に依存するビーム分割器
    （１８ｓ）と２つの検出器（１８ｄ，１８ｅ）とが設け
    られていることを特徴とする干渉計センサ。
JP2404913A 1989-12-23 1990-12-21 干渉計センサ Expired - Fee Related JP2865880B2 (ja)

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