JP2966950B2 - 試料変位測定装置 - Google Patents
試料変位測定装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は試料の数ミクロン程度の
極めて僅かな試料の変位もしくは試料表面の凹凸を計測
する分野に利用できる試料変位測定用光学装置に係るも
のである。
極めて僅かな試料の変位もしくは試料表面の凹凸を計測
する分野に利用できる試料変位測定用光学装置に係るも
のである。
【０００２】
【従来技術】このような極めて僅かな試料の変位は従来
焦点エラー検出装置を用いて測定した。この焦点エラー
検出装置では収束光を試料表面に照射し、そして試料表
面からの反射光を検出して試料の変位を焦点位置からの
試料のずれとして計測していた。しかしこの測定では試
料の変位の絶対値は測定できない。試料の変位の絶対値
を焦点エラー検出装置で測定するには試料に既知の大き
さの変位を与えてこれを測定して、それを基準として測
定値を評定し変位の絶対値を求める。しかしこれは煩雑
な手数を要し、充分な精度も得られない。又別の方法と
しては干渉縞をつくり、光の波長と一定の関係にあるそ
れの強度変化を基準として試料の変位の測定値を評定し
変位の絶対値を求める。これも煩瑣な手続きを要し、ま
た機械的な振動や外部からの変化を受けやすく、正確な
測定は困難であった。
焦点エラー検出装置を用いて測定した。この焦点エラー
検出装置では収束光を試料表面に照射し、そして試料表
面からの反射光を検出して試料の変位を焦点位置からの
試料のずれとして計測していた。しかしこの測定では試
料の変位の絶対値は測定できない。試料の変位の絶対値
を焦点エラー検出装置で測定するには試料に既知の大き
さの変位を与えてこれを測定して、それを基準として測
定値を評定し変位の絶対値を求める。しかしこれは煩雑
な手数を要し、充分な精度も得られない。又別の方法と
しては干渉縞をつくり、光の波長と一定の関係にあるそ
れの強度変化を基準として試料の変位の測定値を評定し
変位の絶対値を求める。これも煩瑣な手続きを要し、ま
た機械的な振動や外部からの変化を受けやすく、正確な
測定は困難であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、極め
て僅かな試料の変位もしくは試料表面の凹凸の絶対値を
正確に計測する試料変位測定用光学装置を提供すること
である。
て僅かな試料の変位もしくは試料表面の凹凸の絶対値を
正確に計測する試料変位測定用光学装置を提供すること
である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は半導体レーザー
のような光源からの不完全な直線偏光の所要の垂直成分
（以下「第１偏光成分」という）を焦点ずれ計測系に利
用し、本来所要とはされていない平行成分（以下「第２
偏光成分」という）を干渉縞生成・検出系に利用するこ
とによって焦点エラー検出装置にその測定値を評定する
ための干渉縞の強度変化計測系を内蔵させることによっ
て前記の目的を達成している。
のような光源からの不完全な直線偏光の所要の垂直成分
（以下「第１偏光成分」という）を焦点ずれ計測系に利
用し、本来所要とはされていない平行成分（以下「第２
偏光成分」という）を干渉縞生成・検出系に利用するこ
とによって焦点エラー検出装置にその測定値を評定する
ための干渉縞の強度変化計測系を内蔵させることによっ
て前記の目的を達成している。
【０００５】本発明の試料変位測定用光学装置は、実質
的に直線偏光である平行光を発生する光発生手段と、平
行光の第１偏光成分を反射し、平行光の第２偏光成分を
透過する偏光ビームスプリッタと、第１と第２と第３の
ビームスプリッタと、第１偏光成分を（それが往復して
通過すると）第２偏光成分に変換する４分の１波長板
と、試料観察用の対物レンズと、試料の変位を焦点ずれ
として検出する焦点ずれ検出装置と、干渉縞の強度変化
を検出する光検出素子を含む干渉縞検出装置とを備えて
おり、それの焦点ずれ計測系の光路は以下のようにな
る。すなわち、光発生手段からの平行光の第１偏光成分
は、平行光の進行方向に交差する第１の方向へ偏光ビー
ムスプリッタにより反射し、第１の方向に交差する第２
の方向に第１のビームスプリッタにより反射され、それ
から４分の１波長板と対物レンズとを通って試料表面に
収束し、そして試料表面から反射し、対物レンズと４分
の１波長板とを通って、第１のビームスプリッタで反射
され、波長板を往復して通過することによって第２偏光
成分の光となった反射光は偏光ビームスプリッタを透過
し、そして焦点ずれ検出装置によって検出される。ま
た、干渉縞の強度変化計測系の光路は以下のようにな
る。すなわち、光発生手段からの平行光の第２偏光成分
は偏光ビームスプリッタを透過し、第３のビームスプリ
ッタで反射される。他方、光発生手段からの平行光の第
１偏光成分は第１の方向へ偏光ビームスプリッタにより
反射し、第２の方向に第１のビームスプリッタにより反
射され、それから４分の１波長板と対物レンズとを通っ
て試料表面に収束し、そして試料表面から反射し、対物
レンズと４分の１波長板とを通って（波長板を往復通過
することによって第２偏光成分の光となった）反射光は
第１のビームスプリッタを透過し、そして第２のビーム
スプリッタにより反射され、第３のビームスプリッタを
透過する。この透過した反射光と光発生手段から偏光ビ
ームスプリッタを透過した平行光の第２偏光成分とが干
渉して、干渉縞をつくる。この干渉縞の強度変化を計測
して焦点ずれとして表された試料の変位の絶対値を決定
する。
的に直線偏光である平行光を発生する光発生手段と、平
行光の第１偏光成分を反射し、平行光の第２偏光成分を
透過する偏光ビームスプリッタと、第１と第２と第３の
ビームスプリッタと、第１偏光成分を（それが往復して
通過すると）第２偏光成分に変換する４分の１波長板
と、試料観察用の対物レンズと、試料の変位を焦点ずれ
として検出する焦点ずれ検出装置と、干渉縞の強度変化
を検出する光検出素子を含む干渉縞検出装置とを備えて
おり、それの焦点ずれ計測系の光路は以下のようにな
る。すなわち、光発生手段からの平行光の第１偏光成分
は、平行光の進行方向に交差する第１の方向へ偏光ビー
ムスプリッタにより反射し、第１の方向に交差する第２
の方向に第１のビームスプリッタにより反射され、それ
から４分の１波長板と対物レンズとを通って試料表面に
収束し、そして試料表面から反射し、対物レンズと４分
の１波長板とを通って、第１のビームスプリッタで反射
され、波長板を往復して通過することによって第２偏光
成分の光となった反射光は偏光ビームスプリッタを透過
し、そして焦点ずれ検出装置によって検出される。ま
た、干渉縞の強度変化計測系の光路は以下のようにな
る。すなわち、光発生手段からの平行光の第２偏光成分
は偏光ビームスプリッタを透過し、第３のビームスプリ
ッタで反射される。他方、光発生手段からの平行光の第
１偏光成分は第１の方向へ偏光ビームスプリッタにより
反射し、第２の方向に第１のビームスプリッタにより反
射され、それから４分の１波長板と対物レンズとを通っ
て試料表面に収束し、そして試料表面から反射し、対物
レンズと４分の１波長板とを通って（波長板を往復通過
することによって第２偏光成分の光となった）反射光は
第１のビームスプリッタを透過し、そして第２のビーム
スプリッタにより反射され、第３のビームスプリッタを
透過する。この透過した反射光と光発生手段から偏光ビ
ームスプリッタを透過した平行光の第２偏光成分とが干
渉して、干渉縞をつくる。この干渉縞の強度変化を計測
して焦点ずれとして表された試料の変位の絶対値を決定
する。
【０００６】
【実施例】本発明の装置の実施例を添付図を参照して説
明する。半導体レーザー２とコリメータレンズ４とから
成る光発生手段は実質的に直線偏光である平行光を発生
する。半導体レーザー２が発生する光は完全な直線偏光
ではなく、そのためその光は所要の垂直成分又は第１偏
光成分と、これと交差する本来所要とはされていない平
行成分又は第２偏光成分とに分割される。偏光ビームス
プリッタ10は平行光の第１偏光成分を反射し、平行光の
第２偏光成分を透過する。
明する。半導体レーザー２とコリメータレンズ４とから
成る光発生手段は実質的に直線偏光である平行光を発生
する。半導体レーザー２が発生する光は完全な直線偏光
ではなく、そのためその光は所要の垂直成分又は第１偏
光成分と、これと交差する本来所要とはされていない平
行成分又は第２偏光成分とに分割される。偏光ビームス
プリッタ10は平行光の第１偏光成分を反射し、平行光の
第２偏光成分を透過する。
【０００７】先ず、焦点ずれ計測系の光路を説明する。
半導体レーザー２の偏光はコリメータレンズ４で平行光
とされ、この第１偏光成分は平行光の進行方向に交差す
る第１の方向（図面では水平方向）へ偏光ビームスプリ
ッタ１０によって反射される。この第１の偏光成分は、
第１の方向に交差するよう配置された第１のビームスプ
リッタ１２−１により、第１の方向に交差する第２の方
向（図面では垂直方向）へ試料５に向けて反射される。
その後、この第１偏光成分は４分の１波長板８及び対物
レンズ６を通過して試料表面へ収束され、そして試料表
面から反射した反射光は再び対物レンズ６及び４分の１
波長板８を通過して第１のビームスプリッタ１２−１に
よって第１の方向に偏光ビームスプリッタ１０に向けて
反射される。この時、第１の偏光成分は４分の１波長板
８を往復したため、第２偏光成分に変化している。この
反射光の第２偏光成分は偏光ビームスプリッタ１０によ
って反射されず、偏光ビームスプリッタ１０を透過す
る。焦点ずれ検出装置２０はこの反射光の第２偏光成分
によって焦点ずれの大きさに比例して変化する信号を生
じる。
半導体レーザー２の偏光はコリメータレンズ４で平行光
とされ、この第１偏光成分は平行光の進行方向に交差す
る第１の方向（図面では水平方向）へ偏光ビームスプリ
ッタ１０によって反射される。この第１の偏光成分は、
第１の方向に交差するよう配置された第１のビームスプ
リッタ１２−１により、第１の方向に交差する第２の方
向（図面では垂直方向）へ試料５に向けて反射される。
その後、この第１偏光成分は４分の１波長板８及び対物
レンズ６を通過して試料表面へ収束され、そして試料表
面から反射した反射光は再び対物レンズ６及び４分の１
波長板８を通過して第１のビームスプリッタ１２−１に
よって第１の方向に偏光ビームスプリッタ１０に向けて
反射される。この時、第１の偏光成分は４分の１波長板
８を往復したため、第２偏光成分に変化している。この
反射光の第２偏光成分は偏光ビームスプリッタ１０によ
って反射されず、偏光ビームスプリッタ１０を透過す
る。焦点ずれ検出装置２０はこの反射光の第２偏光成分
によって焦点ずれの大きさに比例して変化する信号を生
じる。
【０００８】次に、干渉縞の強度変化計測系の光路を説
明する。既に述べたように、半導体レーザー２からの光
は完全な直線偏光ではないため、コリメータレンズ４に
よって平行光とされた半導体レーザー２からの光には第
２偏光成分が含まれる。この第２偏光成分は偏光ビーム
スプリッタ１０によって反射されず、偏光ビームスプリ
ッタ１０を透過する。一方、半導体レーザー２からの平
行光の第１偏光成分は、偏光ビームスプリッタによって
第１の方向へ反射された後、第１のビームスプリッタ１
２−１によって第２の方向に反射され、４分の１波長板
８及び対物レンズ６を通って試料表面に収束され、試料
表面を反射した後、対物レンズ６及び４分の１波長板８
を通過し、更に第１のビームスプリッタ１２−１を透過
する。この時の反射光は前に述べたように、第２偏光成
分である。この第２偏光成分は第１のビームスプリッタ
１２−１を透過した後、その進行方向に交差する位置に
配置された第２のビームスプリッタ１２−２によって第
３のビームスプリッタ１２−３へ反射される。第３のビ
ームスプリッタ１２−３はこの反射光の第２偏光成分を
光検出素子を備える干渉縞検出装置３０へ透過させるの
であるが、この時、この反射光の第２偏光成分と、半導
体レーザー２から投射され、偏光ビームスプリッタ１０
を透過し、第３ビームスプリッタ１２−３において反射
された前記の第２偏光成分との間で干渉縞が形成され
る。この干渉縞はピンホール２８を通して干渉縞検出装
置３０によって検出され、この干渉縞の強度に対応した
信号が作られる。この信号は試料表面が変位すると正弦
波状に変化するがその正弦波のピークからピークまでの
周期を基準として焦点ずれの大きさを評定してその絶対
値を求める。このためデータ処理は、焦点ずれ検出装置
２０と干渉縞検出装置３０に接続されたデータ処理装置
（図示されていない）で実施される。
明する。既に述べたように、半導体レーザー２からの光
は完全な直線偏光ではないため、コリメータレンズ４に
よって平行光とされた半導体レーザー２からの光には第
２偏光成分が含まれる。この第２偏光成分は偏光ビーム
スプリッタ１０によって反射されず、偏光ビームスプリ
ッタ１０を透過する。一方、半導体レーザー２からの平
行光の第１偏光成分は、偏光ビームスプリッタによって
第１の方向へ反射された後、第１のビームスプリッタ１
２−１によって第２の方向に反射され、４分の１波長板
８及び対物レンズ６を通って試料表面に収束され、試料
表面を反射した後、対物レンズ６及び４分の１波長板８
を通過し、更に第１のビームスプリッタ１２−１を透過
する。この時の反射光は前に述べたように、第２偏光成
分である。この第２偏光成分は第１のビームスプリッタ
１２−１を透過した後、その進行方向に交差する位置に
配置された第２のビームスプリッタ１２−２によって第
３のビームスプリッタ１２−３へ反射される。第３のビ
ームスプリッタ１２−３はこの反射光の第２偏光成分を
光検出素子を備える干渉縞検出装置３０へ透過させるの
であるが、この時、この反射光の第２偏光成分と、半導
体レーザー２から投射され、偏光ビームスプリッタ１０
を透過し、第３ビームスプリッタ１２−３において反射
された前記の第２偏光成分との間で干渉縞が形成され
る。この干渉縞はピンホール２８を通して干渉縞検出装
置３０によって検出され、この干渉縞の強度に対応した
信号が作られる。この信号は試料表面が変位すると正弦
波状に変化するがその正弦波のピークからピークまでの
周期を基準として焦点ずれの大きさを評定してその絶対
値を求める。このためデータ処理は、焦点ずれ検出装置
２０と干渉縞検出装置３０に接続されたデータ処理装置
（図示されていない）で実施される。
【０００９】以上が本発明の装置の主な構成であるが、
試料５で反射した後に第１のビームスプリッタ１２−１
を透過し、第２のビームスプリッタ１２−２を透過した
反射光を接眼レンズ４０に入射させ、試料を観察するよ
うにすることも出来る。本発明の試料変位測定装置に利
用出来る焦点ずれの検出方法としては、臨界角法、非点
収差法、フーコー法、ナイフエッジ法があり、これらに
ついて以下に説明する。
試料５で反射した後に第１のビームスプリッタ１２−１
を透過し、第２のビームスプリッタ１２−２を透過した
反射光を接眼レンズ４０に入射させ、試料を観察するよ
うにすることも出来る。本発明の試料変位測定装置に利
用出来る焦点ずれの検出方法としては、臨界角法、非点
収差法、フーコー法、ナイフエッジ法があり、これらに
ついて以下に説明する。
【００１０】図１には臨界角法による焦点ずれの検出装
置が示されている。この焦点ずれ検出装置２０は、ビー
ムスプリッタ２２、平行光が入射するとこれを全反射す
るよう配置した臨界角プリズム２４−１、２４−２、光
の強度を検出するための光検出素子２６−１〜２６−４
を備える。試料表面変位の測定には、臨界角プリズム２
４−１と光検出素子２６−１、２６−２を設ければ足り
るが、試料表面が水平でなく僅かな傾斜がある時それに
よる計測誤差を排除するためにもう一組みの別の臨界角
プリズム２４−２と光検出素子２６−３、２６−４を設
けている。
置が示されている。この焦点ずれ検出装置２０は、ビー
ムスプリッタ２２、平行光が入射するとこれを全反射す
るよう配置した臨界角プリズム２４−１、２４−２、光
の強度を検出するための光検出素子２６−１〜２６−４
を備える。試料表面変位の測定には、臨界角プリズム２
４−１と光検出素子２６−１、２６−２を設ければ足り
るが、試料表面が水平でなく僅かな傾斜がある時それに
よる計測誤差を排除するためにもう一組みの別の臨界角
プリズム２４−２と光検出素子２６−３、２６−４を設
けている。
【００１１】試料表面からの反射光である第２偏光成分
は偏光ビームスプリッタ１０を透過した後、ビームスプ
リッタ２２によって２方向に分割され臨界角プリズム２
４−１、２４−２にそれぞれ入射する。試料が変位して
いるために試料表面が対物レンズ６の焦点位置からずれ
ている場合、臨界角プリズム２４−１に入射する第２偏
光成分は平行光ではない。例えば対物レンズ６から遠ざ
かるように変位すると、図面で中心軸から上の方の光は
入射角が臨界角より小さくなり一部の光は臨界角プリズ
ム２４−１を透過し、残りの光が光検出素子２６−１に
入射し、図面で中心軸から下の方の光は入射角が臨界角
より大きくなるため、全反射されて光検出素子２６−２
に入射する。光検出素子２６−１、２６−２の出力の差
から試料表面の変位に比例する信号が求まる。
は偏光ビームスプリッタ１０を透過した後、ビームスプ
リッタ２２によって２方向に分割され臨界角プリズム２
４−１、２４−２にそれぞれ入射する。試料が変位して
いるために試料表面が対物レンズ６の焦点位置からずれ
ている場合、臨界角プリズム２４−１に入射する第２偏
光成分は平行光ではない。例えば対物レンズ６から遠ざ
かるように変位すると、図面で中心軸から上の方の光は
入射角が臨界角より小さくなり一部の光は臨界角プリズ
ム２４−１を透過し、残りの光が光検出素子２６−１に
入射し、図面で中心軸から下の方の光は入射角が臨界角
より大きくなるため、全反射されて光検出素子２６−２
に入射する。光検出素子２６−１、２６−２の出力の差
から試料表面の変位に比例する信号が求まる。
【００１２】また試料表面が水平でなく僅かな傾斜があ
ると、光検出素子２６−１と２６−２による信号の差
と、光検出素子２６−３と２６−４による信号の差との
和を求めることにより、その傾斜による誤差を相殺し
て、試料表面の変位に正確に比例する信号を求めること
が出来る。図２には非点収差法による焦点ずれ検出装置
が示されている。この焦点ずれ検出装置は、ビームスプ
リッタ４２、４分割の光検出素子４６−１、４６−２、
そしてそれぞれが２つの収束線を持つ曲率異方性レンズ
４４−１、４４−２を備える。試料表面変位の測定には
曲率異方性レンズ４４−１と４分割の光検出素子４６−
１を設ければ足りるが、曲率異方性レンズ４４−２と４
分割の光検出素子４６−２を用いることによって計測誤
差を排除出来る。曲率異方性レンズ４４−１は、入射光
が平行光の場合はその光をＡ点及びＢ点に線状に収束さ
せる。即ちこの光はＡ点において、紙面に垂直な線（４
分割光検出素子の１から３の方向に伸びる線）上の有限
の線として収束し、そしてＢ点において紙面内の中心軸
（一点鎖線）と直交する線（４分割光検出素子の２から
４の方向に伸びる線）上の有限の線として収束する。こ
の収束光の紙面に垂直な断面での形状は、Ａ点からＡ点
とＢ点の中点に向かうに従って４分割光検出素子の１か
ら３の方向に伸びる楕円から円に変化し、中点からＢ点
に向かうに従って２から４の方向に伸びる楕円に変化す
る。
ると、光検出素子２６−１と２６−２による信号の差
と、光検出素子２６−３と２６−４による信号の差との
和を求めることにより、その傾斜による誤差を相殺し
て、試料表面の変位に正確に比例する信号を求めること
が出来る。図２には非点収差法による焦点ずれ検出装置
が示されている。この焦点ずれ検出装置は、ビームスプ
リッタ４２、４分割の光検出素子４６−１、４６−２、
そしてそれぞれが２つの収束線を持つ曲率異方性レンズ
４４−１、４４−２を備える。試料表面変位の測定には
曲率異方性レンズ４４−１と４分割の光検出素子４６−
１を設ければ足りるが、曲率異方性レンズ４４−２と４
分割の光検出素子４６−２を用いることによって計測誤
差を排除出来る。曲率異方性レンズ４４−１は、入射光
が平行光の場合はその光をＡ点及びＢ点に線状に収束さ
せる。即ちこの光はＡ点において、紙面に垂直な線（４
分割光検出素子の１から３の方向に伸びる線）上の有限
の線として収束し、そしてＢ点において紙面内の中心軸
（一点鎖線）と直交する線（４分割光検出素子の２から
４の方向に伸びる線）上の有限の線として収束する。こ
の収束光の紙面に垂直な断面での形状は、Ａ点からＡ点
とＢ点の中点に向かうに従って４分割光検出素子の１か
ら３の方向に伸びる楕円から円に変化し、中点からＢ点
に向かうに従って２から４の方向に伸びる楕円に変化す
る。
【００１３】今、４分割検出素子４６−１をＡ点及びＢ
点の中点に配置しておく。第２偏光成分は試料表面から
反射して偏光ビームスプリッタ１０を透過した後、ビー
ムスプリッタ４２によって２方向に分割され、曲率異方
性レンズ４４−１と４４−２に入射する。試料に変位が
存在せず、試料表面が対物レンズの焦点位置にある場
合、この入射光は平行光であるため、曲率異方性レンズ
４４−１を透過した光は４分割の光検出素子上に円とな
って投射される。試料に変位が存在し、試料表面が対物
レンズの焦点位置からずれている場合、入射光は平行光
とならないため、その光の収束位置はＡ点、Ｂ点の前後
にずれる。この結果、４分割の光検出素子上に現れる光
の断面形状は１から３の方向に伸びる楕円、あるいは２
から４の方向に伸びる楕円となる。このため、これら４
分割光検出素子の各素子で検出される光の強度は異な
り、試料表面の変位に比例する信号が得られる。
点の中点に配置しておく。第２偏光成分は試料表面から
反射して偏光ビームスプリッタ１０を透過した後、ビー
ムスプリッタ４２によって２方向に分割され、曲率異方
性レンズ４４−１と４４−２に入射する。試料に変位が
存在せず、試料表面が対物レンズの焦点位置にある場
合、この入射光は平行光であるため、曲率異方性レンズ
４４−１を透過した光は４分割の光検出素子上に円とな
って投射される。試料に変位が存在し、試料表面が対物
レンズの焦点位置からずれている場合、入射光は平行光
とならないため、その光の収束位置はＡ点、Ｂ点の前後
にずれる。この結果、４分割の光検出素子上に現れる光
の断面形状は１から３の方向に伸びる楕円、あるいは２
から４の方向に伸びる楕円となる。このため、これら４
分割光検出素子の各素子で検出される光の強度は異な
り、試料表面の変位に比例する信号が得られる。
【００１４】図３にはフーコー法による焦点ずれ検出装
置が示されている。この焦点ずれ検出装置は、ビームス
プリッタ５２、レンズ５４−１、５４−２、入射した光
を２方向に発散させるスプリットプリズム５６−１、５
６−２、４分割の光検出素子５８−１、５８−２を備え
る。試料表面変位の測定には、レンズ５４−１、スプリ
ットプリズム５６−１、及び４分割の光検出素子５８−
１を設ければ足りるが、レンズ５４−２、スプリットプ
リズム５６−２、及び４分割の光検出素子５８−２を用
いて両光検出素子の出力信号の和をとることによって計
測誤差を相殺出来る。スプリットプリズム５６−１は入
射光をａ及びｂの２方向に発散させる。この光は４分割
の光検出素子５８−１において円または半円の断面形状
となって現れる。入射光の収束点がスプリットプリズム
５６−１の頂点にある場合、入射光は図４（Ａ）のよう
に発散、透過するため、４分割の光検出素子５８−１に
おけるその断面形状は、４分割の光検出素子の１及び２
の領域を分割する分割線あるいは３及び４の領域を分割
する分割線を中心軸とした２つの完全な円となる。入射
光の収束点がスプリットプリズム５６−１の上流側にあ
る場合には、図４（Ｂ）に示したようにその断面形状
は、４分割の光検出素子５８−１の領域１及び２の分割
線を中心軸とした半円として２の領域に、また領域３及
び４の分割線を中心軸とした半円として３の領域に現
れ、入射光の収束点がスプリットプリズム５６−１の下
流側にある場合には、図４（Ｃ）に示したようにその断
面形状は、４分割の光検出素子５８−１の領域１及び２
の分割線を中心軸とした半円として１の領域に、また領
域３及び４の分割線を中心軸とした半円として４の領域
に現れる。これらの半円の大きさは、スプリットプリズ
ム５６−１の頂点に対する収束位置によって変化する。
置が示されている。この焦点ずれ検出装置は、ビームス
プリッタ５２、レンズ５４−１、５４−２、入射した光
を２方向に発散させるスプリットプリズム５６−１、５
６−２、４分割の光検出素子５８−１、５８−２を備え
る。試料表面変位の測定には、レンズ５４−１、スプリ
ットプリズム５６−１、及び４分割の光検出素子５８−
１を設ければ足りるが、レンズ５４−２、スプリットプ
リズム５６−２、及び４分割の光検出素子５８−２を用
いて両光検出素子の出力信号の和をとることによって計
測誤差を相殺出来る。スプリットプリズム５６−１は入
射光をａ及びｂの２方向に発散させる。この光は４分割
の光検出素子５８−１において円または半円の断面形状
となって現れる。入射光の収束点がスプリットプリズム
５６−１の頂点にある場合、入射光は図４（Ａ）のよう
に発散、透過するため、４分割の光検出素子５８−１に
おけるその断面形状は、４分割の光検出素子の１及び２
の領域を分割する分割線あるいは３及び４の領域を分割
する分割線を中心軸とした２つの完全な円となる。入射
光の収束点がスプリットプリズム５６−１の上流側にあ
る場合には、図４（Ｂ）に示したようにその断面形状
は、４分割の光検出素子５８−１の領域１及び２の分割
線を中心軸とした半円として２の領域に、また領域３及
び４の分割線を中心軸とした半円として３の領域に現
れ、入射光の収束点がスプリットプリズム５６−１の下
流側にある場合には、図４（Ｃ）に示したようにその断
面形状は、４分割の光検出素子５８−１の領域１及び２
の分割線を中心軸とした半円として１の領域に、また領
域３及び４の分割線を中心軸とした半円として４の領域
に現れる。これらの半円の大きさは、スプリットプリズ
ム５６−１の頂点に対する収束位置によって変化する。
【００１５】今、平行光のレンズ５４−１による収束点
が、丁度スプリットプリズム５６−１の頂点にくるよう
配置しておく。試料表面からの反射光である第２偏光成
分は偏光ビームスプリッタ１０を透過し、ビームスプリ
ッタ５２によって２方向に分割されてレンズ５４−１を
透過した後、このスプリットプリズム５６−１に入射す
る。試料に変位が存在せず、試料表面が対物レンズの焦
点位置にある場合、レンズ５４−１に入射する光は平行
光であるため、スプリットプリズム５６−１の頂点に収
束する。このため、４分割の光検出素子５８−１に現れ
る断面形状は、完全な円となる（図４（Ａ））。試料に
変位が存在し、試料表面が対物レンズの焦点位置からず
れている場合、レンズ５４−１に入射する光は平行光で
はなくなる。このため、レンズ５４−１により収束され
た光の収束点はスプリットプリズム５６−１の頂点から
ずれ、４分割の光検出素子５８−１に現れるその断面形
状は２及び３あるいは１及び４の領域における半円とな
る。この半円の大きさは試料表面の変位の大きさに比例
して変化しているため、４分割光検出素子の各素子で検
出される光の強度を測定することにより、試料表面の変
位に比例する信号が得られる。
が、丁度スプリットプリズム５６−１の頂点にくるよう
配置しておく。試料表面からの反射光である第２偏光成
分は偏光ビームスプリッタ１０を透過し、ビームスプリ
ッタ５２によって２方向に分割されてレンズ５４−１を
透過した後、このスプリットプリズム５６−１に入射す
る。試料に変位が存在せず、試料表面が対物レンズの焦
点位置にある場合、レンズ５４−１に入射する光は平行
光であるため、スプリットプリズム５６−１の頂点に収
束する。このため、４分割の光検出素子５８−１に現れ
る断面形状は、完全な円となる（図４（Ａ））。試料に
変位が存在し、試料表面が対物レンズの焦点位置からず
れている場合、レンズ５４−１に入射する光は平行光で
はなくなる。このため、レンズ５４−１により収束され
た光の収束点はスプリットプリズム５６−１の頂点から
ずれ、４分割の光検出素子５８−１に現れるその断面形
状は２及び３あるいは１及び４の領域における半円とな
る。この半円の大きさは試料表面の変位の大きさに比例
して変化しているため、４分割光検出素子の各素子で検
出される光の強度を測定することにより、試料表面の変
位に比例する信号が得られる。
【００１６】図５にはナイフエッジ法による焦点ずれ検
出装置が示されている。この焦点ずれ検出装置は、ビー
ムスプリッタ６２、光の半分を遮断するナイフエッジ６
６−１、６６−２、レンズ６４−１、６４−２、２分割
の光検出素子６８−１、６８−２を備える。試料表面変
位の測定には、一般のレンズ６４−１、ナイフエッジ６
６−１、光検出素子６８−１を設ければ足り、別の一組
のレンズ６４−２、ナイフエッジ６６−２、光検出素子
６８−２は寄生誤差を相殺排除するためのものである。
出装置が示されている。この焦点ずれ検出装置は、ビー
ムスプリッタ６２、光の半分を遮断するナイフエッジ６
６−１、６６−２、レンズ６４−１、６４−２、２分割
の光検出素子６８−１、６８−２を備える。試料表面変
位の測定には、一般のレンズ６４−１、ナイフエッジ６
６−１、光検出素子６８−１を設ければ足り、別の一組
のレンズ６４−２、ナイフエッジ６６−２、光検出素子
６８−２は寄生誤差を相殺排除するためのものである。
【００１７】試料表面からの反射光である第２偏光成分
は偏光ビームスプリッタ１０を透過した後、ビームスプ
リッタ６２によって２方向に分割され、ナイフエッジ６
６−１、６６−２によりその第２偏光成分の半分が遮断
された後、レンズ６４−１、６４−２によって２分割の
光検出素子６８−１、６８−２の上に収束する。試料に
変位が存在せず、試料表面が対物レンズの焦点位置にあ
る場合、レンズ６４−１によって収束された光は、２分
割の光検出素子６８−１上の領域１及び２を分割する分
割線上に収束しているが、試料変位が存在し、試料表面
が対物レンズの焦点位置からずれている場合、レンズ６
４−１によって収束される光の収束点は光検出素子の前
後いづれかにずれ、この結果、領域１及び２それぞれに
おいて検出される光の強度に差が生じる。これら２分割
光検出素子の各素子で検出される光の強度を測定するこ
とにより、試料表面の変位に比例する信号が得られる。
は偏光ビームスプリッタ１０を透過した後、ビームスプ
リッタ６２によって２方向に分割され、ナイフエッジ６
６−１、６６−２によりその第２偏光成分の半分が遮断
された後、レンズ６４−１、６４−２によって２分割の
光検出素子６８−１、６８−２の上に収束する。試料に
変位が存在せず、試料表面が対物レンズの焦点位置にあ
る場合、レンズ６４−１によって収束された光は、２分
割の光検出素子６８−１上の領域１及び２を分割する分
割線上に収束しているが、試料変位が存在し、試料表面
が対物レンズの焦点位置からずれている場合、レンズ６
４−１によって収束される光の収束点は光検出素子の前
後いづれかにずれ、この結果、領域１及び２それぞれに
おいて検出される光の強度に差が生じる。これら２分割
光検出素子の各素子で検出される光の強度を測定するこ
とにより、試料表面の変位に比例する信号が得られる。
【００１８】
【発明の効果】焦点ずれ検出装置と干渉縞の強度変化計
測系とを最小の光学素子を用いてコンパクトに組合せ、
数ミクロン程度の極めて僅かな試料変位の絶対値を正確
に測定出来る。
測系とを最小の光学素子を用いてコンパクトに組合せ、
数ミクロン程度の極めて僅かな試料変位の絶対値を正確
に測定出来る。
【図１】本発明の試料変位測定装置の実施例を示す略
図。
図。
【図２】本発明の試料変位測定装置に使用出来る非点収
差法を用いた焦点ずれ検出装置を示す略図。
差法を用いた焦点ずれ検出装置を示す略図。
【図３】本発明の試料変位測定装置に使用出来るフーコ
ー法を用いた焦点ずれ検出装置を示す略図。
ー法を用いた焦点ずれ検出装置を示す略図。
【図４】フーコー法の焦点ずれ検出の態様を示す説明
図。
図。
【図５】本発明の試料変位測定装置に使用出来るナイフ
エッジ法を用いた焦点ずれ検出装置を示す略図。
エッジ法を用いた焦点ずれ検出装置を示す略図。
２ 半導体レーザーＬＤ ４ コリメーターレンズ ５ 試料 ６ 対物レンズ ８ ４分の１波長板 １０ 偏光ビームスプリッタ １２−１ ビームスプリッタ １２−２ ビームスプリッタ １２−３ ビームスプリッタ ２０ 焦点エラー検出装置 ２２ ビームスプリッタ ２４−１ 臨界角プリズム ２４−２ 臨界角プリズム ２６−１ 光検出素子 ２６−２ 光検出素子 ２６−３ 光検出素子 ２６−４ 光検出素子 ２８ ピンホール ３０ 干渉縞検出装置 ４０ 接眼レンズ ４２ ビームスプリッタ ４４−１ 曲率異方性レンズ ４４−２ 曲率異方性レンズ ４６−１ ４分割の光検出素子 ４６−２ ４分割の光検出素子 ５２ ビームスプリッタ ５４−１ レンズ ５４−２ レンズ ５６−１ スプリットプリズム ５６−２ スプリットプリズム ５８−１ ４分割の光検出素子 ５８−２ ４分割の光検出素子 ６２ ビームスプリッタ ６４−１ レンズ ６４−２ レンズ ６６−１ ナイフエッジ ６６−２ ナイフエッジ ６８−１ ２分割の光検出素子 ６８−２ ２分割の光検出素子
フロントページの続き (72)発明者 山口 一郎 埼玉県和光市広沢２番１号 理化学研究 所内 (56)参考文献 特開 平２−300618（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−88337（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01B 9/00 - 11/30 102
Claims (4)
- 【請求項１】 実質的に直線偏光である平行光を発生す
る光発生手段と、平行光の第１偏光成分を反射し、平行
光の第２偏光成分を透過する偏光ビームスプリッタと、
第１と第２と第３のビームスプリッタと、４分の１波長
板と、試料観察用の対物レンズと、試料の変位を焦点ず
れとして検出する焦点ずれ検出装置と、干渉縞の強度変
化を検出する干渉縞検出装置とを備え、前記の偏光ビー
ムスプリッタは前記の光発生手段からの平行光の第１偏
光成分を平行光の進行方向に交差する第１の方向へ反射
し、そして平行光の第２偏光成分を平行光の進行方向に
透過するよう配置し、前記の第１のビームスプリッタは
前記の第１の方向に交差する第２の方向に前記の偏光ビ
ームスプリッタからの第１偏光成分を反射するよう配置
し、この第１偏光成分が前記の４分の１波長板と対物レ
ンズとを通って試料表面に収束するよう前記の４分の１
波長板と対物レンズを配置し、前記の焦点ずれ検出装置
は試料表面から反射し、前記の対物レンズと４分の１波
長板とを通って、前記の第１のビームスプリッタで反射
され、前記の偏光ビームスプリッタを透過した反射光の
第２偏光成分を受けるよう配置され、前記の第２のビー
ムスプリッタは前記の第１のビームスプリッタを透過し
た前記の反射光の第２偏光成分を反射させるよう配置さ
れ、そして前記の第３のビームスプリッタは前記の偏光
ビームスプリッタを透過した平行光の第２偏光成分を反
射し、そして前記の第２のビームスプリッタから反射さ
れた反射光の第２偏光成分を透過するよう配置され、そ
して前記の干渉縞検出装置は前記の第２のビームスプリ
ッタからの反射光の第２偏光成分と前記の偏光ビームス
プリッタを透過した平行光の第２偏光成分との干渉縞を
検出するよう配置されたことを特徴とする試料変位測定
用光学装置。 - 【請求項２】 試料観察用の接眼レンズを更に備え、こ
の接眼レンズは、前記の第１のビームスプリッタを透過
し、そして前記の第２のビームスプリッタを透過した反
射光の第２偏光成分を通すよう配置されたことを特徴と
する請求項１に記載の試料変位測定用光学装置。 - 【請求項３】 実質的に直線偏光である平行光を発生す
る光発生手段と、平行光の第１偏光成分を反射し、平行
光の第２偏光成分を透過する偏光ビームスプリッタと、
第１と第２と第３のビームスプリッタと、第１偏光成分
を第２偏光成分に変換する４分の１波長板と、試料観察
用の対物レンズと、試料の変位を焦点ずれとして検出す
る焦点ずれ検出装置と、干渉縞の強度変化を検出する干
渉縞検出装置と、データ処理装置とを備え、前記の偏光
ビームスプリッタは前記の光発生手段からの平行光の第
１偏光成分を平行光の進行方向に交差する第１の方向へ
反射し、そして平行光の第２偏光成分を平行光の進行方
向に透過するよう配置し、前記の第１のビームスプリッ
タは前記の第１の方向に交差する第２の方向に前記の偏
光ビームスプリッタからの第１偏光成分を反射するよう
配置し、この第１偏光成分が前記の４分の１波長板と対
物レンズとを通って試料表面に収束するよう前記の４分
の１波長板と対物レンズを配置し、前記の焦点ずれ検出
装置は試料表面から反射し、前記の対物レンズと４分の
１波長板とを通って、前記の第１のビームスプリッタで
反射され、前記の偏光ビームスプリッタを透過した反射
光の第２偏光成分を受けるよう配置され、前記の第２の
ビームスプリッタは前記の第１のビームスプリッタを透
過した前記の反射光の第２偏光成分を反射させるよう配
置され、前記の第３のビームスプリッタは前記の偏光ビ
ームスプリッタを透過した平行光の第２偏光成分を反射
し、そして前記の第２のビームスプリッタから反射され
た反射光の第２偏光成分を透過するよう配置され、前記
の干渉縞検出装置は前記の第２のビームスプリッタから
の反射光の第２偏光成分と前記の偏光ビームスプリッタ
を透過した平行光の第２偏光成分との干渉縞を検出する
よう配置され、そして前記のデータ処理装置は前記の焦
点ずれ検出装置と前記の干渉縞検出装置とに接続され、
前記の強度変化で前記の焦点ずれを評定して試料表面の
ずれの絶対値を求めることを特徴とする試料変位測定装
置。 - 【請求項４】 試料観察用の接眼レンズを更に備え、こ
の接眼レンズは、前記の第１のビームスプリッタを透過
し、そして前記の第２のビームスプリッタを透過した反
射光の第２偏光成分を通すよう配置されたことを特徴と
する請求項３に記載の試料変位測定用光学装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6019291A JP2966950B2 (ja) | 1991-03-25 | 1991-03-25 | 試料変位測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6019291A JP2966950B2 (ja) | 1991-03-25 | 1991-03-25 | 試料変位測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05322516A JPH05322516A (ja) | 1993-12-07 |
| JP2966950B2 true JP2966950B2 (ja) | 1999-10-25 |
Family
ID=13135051
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6019291A Expired - Fee Related JP2966950B2 (ja) | 1991-03-25 | 1991-03-25 | 試料変位測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2966950B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002022415A (ja) * | 2000-05-01 | 2002-01-23 | Hitachi Electronics Eng Co Ltd | 微小突起物検査装置 |
| CN112066961B (zh) * | 2020-09-15 | 2021-04-13 | 山东鑫诚精密机械有限公司 | 精密测量阿贝误差控制系统 |
-
1991
- 1991-03-25 JP JP6019291A patent/JP2966950B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05322516A (ja) | 1993-12-07 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19990712 |
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| S533 | Written request for registration of change of name |
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