JP3569726B2 - Geometric thickness and the refractive index measuring apparatus and method of the sample - Google Patents

Geometric thickness and the refractive index measuring apparatus and method of the sample Download PDF

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Description

【0001】 [0001]
【発明の属する技術分野】 BACKGROUND OF THE INVENTION
本発明は試料の幾何学的厚さと屈折率を求める試料の幾何学的厚さおよび屈折率測定装置およびその測定方法に関する。 The present invention relates to the geometrical thickness and the geometric thickness and the refractive index measuring apparatus and method of a sample for determining the refractive index of the sample.
【0002】 [0002]
【従来の技術】 BACKGROUND OF THE INVENTION
従来から薄膜や光ガラス等の透明試料の光学的厚さを測定するため、低コヒーレンス干渉法が用いられている。 To measure the transparency optical thickness of the sample, such as a thin film or an optical glass from conventional low coherent interference method has been used. 低コヒーレンス干渉法は、干渉計において白色光や発光ダイオードのような可干渉性の低い光源を用いることにより、干渉計の両腕の光路差が0近傍のみに干渉縞が現れることを利用して、その時の参照鏡の位置から測定物体の絶対的な位置を知る方法である。 Low coherence interferometry, by using the coherence of low light such as white light or light emitting diodes in the interferometer, the optical path difference between the arms of the interferometer by using only that the interference fringe appears near 0 is a method to know the absolute position of the measurement object from the position of that time of the reference mirror. これはブロックゲージの絶対測長や基線の校正、表面形状測定等に応用されている。 This calibration of absolute measurement and the baseline of the block gauge, has been applied to a surface shape measurement or the like. さらに、近年では、これを拡張した手法が、眼科学や生体科学の分野で盛んに研究されている。 In addition, in recent years, a technique that extends this has been extensively studied in the field of ophthalmology and biological science.
【0003】 [0003]
他方、レーザー光を試料にスポット照射し、そこからの反射光または蛍光等を点検出器に再結像させる方式の共焦点レーザー顕微鏡が知られている。 On the other hand, the spot irradiation with laser light to the sample, confocal laser microscopy method to be re-imaged point detector the reflected or fluorescent, etc. therefrom are known.
【0004】 [0004]
この共焦点顕微鏡は従来の光学顕微鏡と比べて高コントラスト画像が得られるだけでなく、光軸方向にも高い分解能をもち3次元像の構築ができるために表面形状測定や生体試料観測の手法として定着している。 The confocal microscope as well as high-contrast image can be obtained as compared with the conventional optical microscope, a high resolution in the optical axis direction as a method of surface shape measurement and the biological sample observation in order to be build has 3-dimensional image fixing, it is.
【0005】 [0005]
またこの共焦点顕微鏡の光軸方向の分解能を利用することにより透明な試料の光学的厚さの測定を行なうことができる。 Also it is possible to measure the optical thickness of the transparent sample by utilizing the resolution of the optical axis of the confocal microscope.
【0006】 [0006]
【発明が解決しようとする課題】 [Problems that the Invention is to Solve
しかし、共焦点原理により直接に求まる量は光学的厚さであり、幾何学的厚さを求めるためには、各層の屈折率を別の手法により求めなければならない。 However, the amount which is obtained directly by confocal principle is optical thickness, in order to determine the geometrical thickness must refractive index of each layer determined by another approach. このような問題点は上述した低コヒーレンス干渉法における厚さ測定でも同様に生じる。 Such problems occur also in thickness measurement in the low coherence interference method described above. ところが、成形された試料の屈折率を迅速かつ確実に測定する方法は未だ開発されていないのが実情である。 However, a method of measuring the refractive index of the molded samples quickly and reliably is a situation has not been developed yet.
【0007】 [0007]
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、迅速かつ確実に試料の幾何学的厚さおよび屈折率を求めることができる試料の幾何学的厚さおよび屈折率測定装置およびその測定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such points, quickly and reliably geometric thickness and the refractive index measurement of the sample can be determined geometrical thickness and the refractive index of the sample device and its and to provide a measuring method.
【0008】 [0008]
【課題を解決するための手段】 In order to solve the problems]
本発明は、試料に対して周波数可変光を投光する光源と、光源からの光を偏光の相違により一対の分離光に分けるとともに、各分離光の周波数を予め定められたシフト量だけ変化させる周波数シフタと、周波数シフタと試料との間の光路中に配置された偏光ビームスプリッタと、周波数シフタと試料との間の光路と交差するとともに偏光ビームスプリッタを通る直線上において、偏光ビームスプリッタの一側に配置された参照鏡と、ビームスプリッタの他側に配置され偏光ビームスプリッタを通り参照鏡から反射する一方の分離光と、偏光ビームスプリッタを通り試料から反射する他方の分離光との干渉により生じる干渉信号を検出する検出器と、検出器からの干渉信号に基づいて振幅を求める振幅検出部と、検出器からの干渉信号に基づい The present invention includes a light source for projecting the variable frequency light to the sample, with divided into a pair of separate light by difference of the polarization light from the light source is varied by a shift amount to a predetermined frequency of each separation light a frequency shifter, and the polarization beam splitter disposed in an optical path between the frequency shifter and the sample, on a straight line passing through the polarizing beam splitter with intersects the optical path between the frequency shifter and the sample, the polarization beam splitter one a reference mirror disposed on the side, one of the separating light reflected by the polarization beam splitter is disposed on the other side of the beam splitter from the street reference mirror, by the interference of the other separating light reflected by the polarization beam splitter from the street sample a detector for detecting an interference signal generated, the amplitude detector for determining the amplitude based on the interference signal from the detector, based on the interference signal from the detector 位相変調率信号を求める位相変調率信号検出部と、振幅検出部からの振幅に基づいて、他方の分離光の焦点が試料の一面から他面へ移るのに必要な試料の移動距離を求めるとともに、各分離光の周波数のシフト量と、位相変調信号検出部からの位相変調率信号に基づいて焦点が試料の一面から他面へ移る際の他方の分離光の光路長の増加分を求め、この移動距離および光路長の増加分に基づいて試料の幾何学的厚さおよび屈折率を求める演算部と、を備えたことを特徴とする試料の幾何学的厚さおよび屈折率測定装置である。 And a phase modulation index signal detector for determining the phase modulation rate signal based on the amplitude from the amplitude detector, together with obtaining the moving distance of the sample required for the focus of the other separating light moves to the other surface from one surface of the sample a shift amount of the frequency of each separation light, the increase in optical path length of the other separation light when the focus based on the phase modulation index signal moves to the other side from the one surface of the sample from the phase modulation signal detector determined, is geometric thickness and the refractive index measuring device of the sample, characterized in that the travel distance and on the basis of the increase in optical path length with a, a calculation unit for determining the geometrical thickness and the refractive index of the sample .
上記記載の幾何学的厚さおよび屈折率測定装置を用いた測定方法において、試料を周波数シフタに対して相対的に移動させる工程と、光源からの光のうち周波数シフタで分離された一方の分離光を偏光ビームスプリッタを経て参照鏡に反射させるとともに、周波数シフタで分離された他方の分離光を偏光ビームスプリッタを経て試料に反射させ、これら一対の分離光を干渉させて干渉信号として検出器により検出する工程と、検出器からの干渉信号に基づいて振幅検出部により振幅を求める工程と、検出器からの干渉信号に基づいて位相変調率信号検出部により位相変調率信号を求める工程と、演算部において、振幅検出部からの振幅に基づいて、他方の分離光の焦点が試料の一面から他面へ移るのに必要な試料の移動距離を求めるとともに In the measurement method using the geometric thickness and the refractive index measuring device described above, the steps of relatively moving with respect to the frequency shifter samples, one separated separated in frequency shifter of the light from the light source causes reflected reference mirror through a polarizing beam splitter the light passes through the polarization beam splitter is reflected on the sample and the other separated light separated by the frequency shifter, by the detector as an interference signal by interfering the pair of separating light a step of detecting, a step of determining a step of determining the amplitude, phase modulation rate signal by the phase modulation index signal detecting unit based on the interference signal from the detector by the amplitude detection unit based on the interference signal from the detector, calculation in part, based on the amplitude from the amplitude detector, together with obtaining the moving distance of the sample required for the focus of the other separating light moves to the other surface from one surface of the sample 各分離光の周波数のシフト量と、位相変調率検出部からの位相変調率信号に基づいて焦点が試料の一面から他面へ移る際の他方の分離光の光路長の増加分を求め、この移動距離および光路長の増加分に基づいて試料の幾何学的厚さおよび屈折率を求める工程と、を備えたことを特徴とする測定方法である。 A shift amount of the frequency of each separation light, the increase in optical path length of the other separation light when the focus based on the phase modulation index signal moves to the other side from the one surface of the sample from the phase modulation index detection portion obtains, this based on the moving distance and increase in optical path length and obtaining a geometric thickness and the refractive index of the sample, a measuring method characterized by comprising a.
【0009】 [0009]
本発明によれば、振幅検出部において、検出器からの干渉信号に基づいて振幅を求めるとともに、位相変調率信号検出部において検出器からの干渉信号に基づいて位相変調率信号を求める。 According to the present invention, the amplitude detection unit, to obtain an amplitude based on the interference signal from the detector, it obtains a phase modulation factor signal based on the interference signal from the detector in the phase modulation index signal detector. 演算部において、振幅検出部からの振幅に基づいて他方の分離光の焦点が試料の一面から他面へ移るのに必要な試料の移動距離を求めるとともに、各分離光の周波数のシフト量と、位相変調率信号検出部からの位相変調率信号に基づいて焦点が試料の一面から他面へ移る際の他方の分離光の光路の増加分を求める。 The calculating unit, with calculating the moving distance of the sample required for the focus of the other separated light based on the amplitude from the amplitude detector moves to the other surface from one surface of the sample, and the shift amount of the frequency of each separation light, determining the increase in the optical path other separation light when the focus based on the phase modulation index signal moves to the other side from the one surface of the sample from the phase modulation index signal detector. この移動距離と光路の増加分とに基づいて、試料の幾何学的厚さおよび屈折率が求められる。 The distance traveled and on the basis of the increase in the optical path, the geometrical thickness and the refractive index of the sample is determined.
【0010】 [0010]
【発明の実施の形態】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。 Hereinafter, with reference to the drawings will be described embodiments of the present invention.
【0011】 [0011]
まず本発明の基本的原理について説明する。 First will be described the basic principles of the present invention.
測定原理 The measurement principle
(屈折率・厚さの分離測定) (Separation Measurement of refractive index and thickness)
図1に屈折率・厚さの分離測定原理を示す。 It shows the separation principle of measuring refractive index and thickness in Fig. ここでは、簡単のため単層試料で説明するが、多層への適用は容易である。 Here is described a single layer sample for simplicity, the application of the multi-layer is easy. 平行光が対物レンズ19を通して試料20に照射される。 The parallel light is irradiated to the sample 20 through an objective lens 19. 試料20を対物レンズ19に近づけていくと、まず試料20の一面(対物レンズ19に近い面)に焦点が合う(図1(a))。 As you approach the sample 20 to the objective lens 19, in focus first on one side of the sample 20 (the surface closer to the objective lens 19) (Figure 1 (a)). さらに、近づけると対物レンズ19から焦点位置までの光路長は増加していき(図1(d))、今度は、試料20の他面に焦点が合う(図1(b))。 Furthermore, close the optical path length from the objective lens 19 to the focal position is gradually increased (Fig. 1 (d)), in turn, in focus on the other surface of the sample 20 (Figure 1 (b)). ここで、焦点位置を試料20の一面から他面へと移すのに必要な試料20の移動距離をΔz とし、またそのときの光路長の増加分をΔl とすると、試料20の屈折率nおよび幾何学的厚さdは(1)(2)式を用いて算出される。 Here, when the focal position and Δz the moving distance of the sample 20 required to transfer from one surface of the sample 20 to another surface, also the Δl the increase in optical path length at that time, the refractive index n and the sample 20 geometrical thickness d is calculated using (1) (2).
【数1】 [Number 1]
ここで、NAは対物レンズの開口数を表す。 Here, NA represents the numerical aperture of the objective lens.
【0012】 [0012]
この原理では、試料20の移動距離Δz と、光路長の増加Δl の2量を測定する必要がある。 This principle, it is necessary to measure the movement distance Δz of the sample 20, a 2 volume increase Δl in the optical path length. 試料20の移動距離Δz の測定を行うためには、焦点の検出を行う必要がある。 To make measurements of the movement distance Δz of the sample 20, it is necessary to detect the focus. これには次に述べる波長走査型ヘテロダイン干渉法を用いる。 It uses a wavelength scanning heterodyne interferometry described next.
【0013】 [0013]
(共焦点顕微鏡の原理) (Principle of confocal microscopy)
共焦点顕微鏡は、図13に示すように点光源11から発した光を対物レンズ19を通して試料20に照射し、試料20から反射した光を偏光ビームスプリッタ17によって反射させ、レンズ23によってピンホール24上に集光し、その透過光を検出する。 Confocal microscope, the light emitted from the point light source 11 as shown in FIG. 13 is irradiated to the sample 20 through an objective lens 19, the light reflected from the sample 20 is reflected by the polarizing beam splitter 17, the pinhole 24 by a lens 23 It focused on, to detect the transmitted light. ここで、焦点位置が試料表面に一致したときには、ピンホールを通して検出される信号は極大値をとる(図1(c))。 Here, when the focal position coincides with the sample surface, the signal detected through the pinhole takes a maximum value (FIG. 1 (c)). 逆に、信号がピークをとる位置が、試料表面に焦点があっているときである。 Conversely, when the signal is a peak position is in focus on the sample surface.
【0014】 [0014]
(波長走査型ヘテロダイン干渉法の原理) (Principle of Wavelength scanning heterodyne interferometry)
波長走査型干渉法は光路差を持たせた干渉計において、光源の波長を一定量だけ連続的に変化させたときに生ずる干渉信号の位相変化を測定し、それより干渉計の光路差を可動部なしで測定する手法である。 Wavelength scanning interferometry in interferometer which gave an optical path difference, the phase change of the interference signal produced when the wavelength of the light source caused by continuously changing a certain amount was measured, the movable optical path difference of the interferometer than it is a technique to measure without a part. 光源に半導体レーザー(あるいはレーザーダイオード,LD)を用いた場合、連続的に波長を掃引できる幅が小さいため、位相の変化は小さい。 A semiconductor laser (or laser diode, LD) in the light source when used, the width that can be continuously swept wavelength is small, the change in phase is small. そこで、高分解能で光路差測定を行うためには、位相の測定精度を高くする必要がある。 Therefore, in order to perform the optical path difference measured at high resolution, it is necessary to increase the measurement accuracy of the phase. そのため、光ヘテロダイン干渉法を併用した手法(波長走査型ヘテロダイン干渉法と呼ぶ)を用いる。 Therefore, using the technique in combination with optical heterodyne interferometry (referred to as wavelength scanning heterodyne interferometry). この波長走査型ヘテロダイン干渉法を図2をもとに説明する。 Illustrating the wavelength scanning heterodyne interferometry based on FIG.
【0015】 [0015]
まず、はじめに注入電流変調をかけたLD11の出射光の電場は、LD11からの距離をz、時刻をtとすると次式で表される。 First, the electric field of the emitted light LD11 multiplied by the injection current modulation Introduction is expressed by the following equation and the distance from the LD11 z, time is referred to as t.
【数2】 [Number 2]
ここで、cは光速、E (t)およびV(t)は時刻tにおけるLD端での電場と光周波数であり、正弦変調の場合には次式を用いて表される。 Here, c is the speed of light, E 0 (t) and V (t) is the electric field and the optical frequency at the LD end at time t, in the case of sinusoidal modulation is expressed by the following equation.
【0016】 [0016]
(t)=A ……(4) E 0 (t) = A ...... (4)
V(t)=V +ΔVcos(2πf t+φ) ……(5) V (t) = V 0 + ΔVcos (2πf m t + φ) ...... (5)
ここで、Aは電場の振幅で簡単のために一定としておく。 Here, A is kept to be constant for simplicity in the amplitude of the electric field. は変調をかけないときの光周波数、ΔVは周波数変調幅、φは注入電流の変調信号を基準としたときのV(t)の初期位相である。 V 0 is the initial phase of V (t) when the optical frequency, [Delta] V when no by modulating the frequency modulation width, phi is relative to the modulation signal of the injection current.
【0017】 [0017]
図2を参照すると、LD11から出た光は、光周波数シフタ12によって、たがいに周波数がV だけ異なる2つの直交直線偏光となる。 Referring to FIG. 2, the light emitted from the LD11 is the optical frequency shifter 12, the mutually frequency only V b different two orthogonal linear polarizations. このうち一方の分離光を参照鏡15へ向ける参照光として用い、もう一方の分離光を試料20へ向ける物体光として用いる。 Used as the reference light Among directing to the separation light to a reference mirror 15, using the other separated light as the object light directed to the sample 20. 検出器25における参照光および物体光の電場E ref ,E objは次のように表される。 Electric field E ref of the reference light and the object light at the detector 25, E obj is expressed as follows.
【数3】 [Number 3]
ここで、α、βは偏光ビームスプリッタ17の振幅分割比、Z ref 、Z objは参照光および物体光の光路長、V ref 、V objは参照光および物体光の周波数で、 Here, alpha, beta amplitude splitting ratio of the polarization beam splitter 17, in Z ref, Z obj is the optical path length of the reference beam and object beam, V ref, V obj is the reference beam and the object optical frequency,
ref (t)=V(t)+V ……(8) V ref (t) = V ( t) + V 1 ...... (8)
obj (t)=V(t)+V +V ……(9) V obj (t) = V ( t) + V 1 + V b ...... (9)
で表される。 In represented. およびV +V は光周波数シフタ12による光周波数シフト量をあらわし、その差V が観測されるビート周波数に相当する。 V 1 and V 1 + V b represents an optical frequency shift amount by the optical frequency shifter 12, corresponding to the beat frequency and the difference V b is observed.
【0018】 [0018]
これより、検出器25で得られるビート信号は、 From this, a beat signal obtained by the detector 25,
【数4】 [Number 4]
となる。 To become.
【0019】 [0019]
ここで両光の光路差をL=2(Z ref −Z obj )としている。 Here is the optical path difference between the two light L = 2 (Z ref -Z obj ). これよりビート信号の位相が変調周波数f で変調され、その振幅を測定することにより光路差Lが求められる。 From this beat signal phase is modulated at the modulation frequency f m, the optical path difference L is obtained by measuring the amplitude.
【0020】 [0020]
(共焦点信号と光路差の同時測定) (Simultaneous measurement of the confocal signal and the optical path difference)
屈折率・厚さの分離測定では、これら共焦点顕微鏡および波長走査型ヘテロダイン干渉法を用いて、焦点検出と光路長測定を行う。 The separation measurement of refractive index and thickness, using these confocal microscope and wavelength scanning heterodyne interferometry to perform focus detection and the optical path length measurements. 従来の測定手法では、これら2つの光学系が1つの光学系に組み込まれており、それぞれを切り替えて測定していた。 In the conventional measurement method, these two optical systems have been integrated into a single optical system, were measured by switching respectively. すなわち、参照光路に入れたシャッターを閉じることによって、まず、光学系を共焦点系にし、試料を光軸方向に移動させ、その共焦点系の信号からピーク位置、すなわち界面に焦点が合う位置を計算する。 That is, by closing the shutter placed in the reference light path, first, the optical system in a confocal system, the sample is moved in the optical axis direction, the peak position from the signal of the confocal system, i.e. the in focus position at the interface calculate. 次に、そのピーク位置に試料を移動させ、シャッターを開放することにより光学系を波長走査型ヘテロダイン干渉計に切り替えて、光路長測定を行う。 Next, the sample is moving to its peak position, to switch the optical system to the wavelength scanning heterodyne interferometer by opening the shutter, for optical path length measurements. これをそれぞれのピーク位置に対して順に行っていた。 This was going to order for each of the peak position.
【0021】 [0021]
この方法では、一度取得した共焦点信号ピーク位置に試料を再移動させた後、それぞれの位置で光路差を測定するため時間がかかる。 In this way, after re-move the sample once obtained confocal signal peak position, it takes time to measure the optical path difference at each position. さらに、機械的なステージを用いるので、バックラッシュの影響がさけられず、その影響を低減するために、一度、ステージを機械原点に戻してからピーク位置に移動させていた。 Furthermore, since the use of the mechanical stage, without the influence of the backlash is avoided, in order to reduce the influence it had once moved to the peak position after returning the stage to the mechanical origin. これにより、さらに時間がかかることになる。 Thus, it takes more time.
【0022】 [0022]
本発明は試料20の光軸方向の移動時に、共焦点系の情報と、波長走査型ヘテロダイン干渉計による光路長情報とを同時に取得するものである。 The present invention during movement of the optical axis direction of the sample 20, and the information of the confocal system, at the same time to obtain the optical path length information by wavelength scanning heterodyne interferometer. これにより、試料の光軸方向の走査は1回で済むので測定時間の短縮につながり、またバックラッシュの問題も解決される。 Thus, the optical axis of the scanning of the sample leads to a reduction of the measurement time because only once, also the backlash problem is solved.
【0023】 [0023]
本発明においては、検出器25で検出されるビート信号から共焦点プロファイルに相当する強度情報と、波長走査型ヘテロダイン干渉計に相当する位相変調率とを分離することが必要となる。 In the present invention, comprising a strength information corresponding from the beat signal detected by the detector 25 to the confocal profile, it is necessary to separate the phase modulation index corresponding to the wavelength scanning heterodyne interferometer.
共焦点信号および光路差信号の分離 Separation of the confocal signal and the optical path difference signal
(検出される干渉信号の解析式) (Analytical expression of the interference signal detected)
まず、はじめに検出されるビート信号を解析的に求め、次に分離手法を検討する。 First, determine the beat signal detected at the beginning analytically, then consider separation techniques. 解析のモデルは図2に示す光学系である。 Model analysis is an optical system shown in FIG.
【0024】 [0024]
図2の説明中、簡単のために光強度は一定であるとしたが、実際には周波数変調とともに強度変調もかかる。 Light intensity for the description, of simplicity FIG. 2 is set to be constant, actually consuming and intensity modulation with frequency modulation. そこでLDの強度変調を表現するには、(4)式の電場E (t)を【数5】 So to represent the intensity modulation of LD is (4) Equation 5] The electric field E 0 (t) of the formula
で置き換える。 Replaced by. ただし、mは強度の変調率である。 However, m is the modulation index of the strength. さらに、試料20の反射率はその位置によらずつねに一定としたが、実際には共焦点原理により、試料位置によって検出光の強度が変化する。 Furthermore, the reflectivity of the sample 20 has been set to be constant always regardless of its position, in practice by confocal principle, the intensity of the detection light is changed by the sample position. そこで、この効果を取り入れるために、等価的に試料の反射率p(z)が位置によって変化するとする。 Therefore, in order to incorporate this effect, the reflectivity of equivalently sample p (z) is varied depending on the position. すなわち、βをβp(z)で置き換えればよい。 That is, it is replaced by β in .beta.p (z). これらを考慮すると検出されるビート信号は、 Beat signal is detected to consider these are
【数6】 [6]
となる。 To become.
【0025】 [0025]
図3にこのビート信号の周波数成分を図示する。 It illustrates the frequency components of the beat signal in FIG. 図3において、それぞれの振幅は試料位置の関数になっている。 3, each of the amplitude is a function of the sample position. これより、ビート信号は周波数がゼロの成分、変調周波数と同じ周波数成分、ビート周波数の成分、およびその両側帯波成分からなっている。 Than this, the beat signal is zero component frequency, the same frequency component as the modulation frequency, which is the component of the beat frequency, and from the two sideband components. ただし、位相変調もかかっているのでこの側帯波は広がる(図には示していない)。 However, the sideband spread so depends also phase modulation (not shown). ここで、全ての信号成分の振幅がピークとなる試料位置Z が、試料の表面に焦点があっているときに相当する。 Here, the sample position Z 0 of the amplitude is the peak of all of the signal components, corresponding to when in focus on the surface of the sample. これらの信号から位相変調率と振幅を独立に抽出する。 Extracted from these signals independently phase modulation rate and amplitude.
【0026】 [0026]
(位相変調率(光路差信号)の測定法) (Measurement of the phase modulation index (optical path difference signal))
まず、位相計(Stanford Research.SR850)28(図9参照)に振幅変調がかかった信号を入力したときの影響を調べる。 First, examine the impact of the amplitude-modulated inputs a took signal to the phase meter (Stanford Research.SR850) 28 (see FIG. 9). 任意波形発生器(Hewlett−Packard,HP8904A)から2つの疑似信号を発生させる。 Arbitrary waveform generator (Hewlett-Packard, HP8904A) to generate two pseudo signal from. 1つは周波数100kHz、振幅1V p−pの正弦波でこれを参照信号として用いる。 One uses a reference signal to this in frequency 100kHz, sine wave amplitude 1V p-p. また、もう1つは周波数100kHz、振幅1V p−pの正弦波に振幅変調(変調周波数0.1Hz)をかける。 Further, another frequency 100kHz, multiplying the amplitude modulation (modulation frequency 0.1 Hz) sine wave of amplitude 1V p-p. これらの信号を位相計28に入力し、出力信号のうち変調周波数と同じ周波数で変化する信号の振幅をオシロスコープで読み取る。 Enter these signals to the phase meter 28, reading the amplitude of the signal varying at the same frequency as the modulation frequency of the output signal with an oscilloscope. 振幅変調率を0から100%まで10%ずつ変化させたときの結果を図4に示す。 The results when the amplitude modulation factor is varied in 10% increments from 0 to 100% is shown in FIG.
【0027】 [0027]
図4において、縦軸の10Vが位相の180°に対応する。 In FIG. 4, 10V of the vertical axis corresponds to 180 ° of phase. これより、振幅変調率が大きくなるにつれて位相計の出力も大きくなるが線形な関係にはない。 Than this, although larger output of the phase meter is not in a linear relationship as an amplitude modulation factor becomes large. したがって、位相計において正確な位相変調率の測定を行うためには、振幅変調がかかっていない波形を用いる必要である。 Therefore, in order to perform accurate measurement of the phase modulation index in the phase meter, it is necessary to use a waveform is not applied amplitude modulation.
【0028】 [0028]
そこで、振幅変調および位相変調がかかった信号から、振幅変調を除去するために、ゼロクロスコンパレータ27(図9参照)を用いて波形を方形波に整形する。 Therefore, the signal amplitude and phase modulation is applied in order to remove the amplitude modulation, for shaping the waveform into a square wave with zero-cross comparator 27 (see FIG. 9).
【0029】 [0029]
図5(a)(b)に振幅変調(周波数100kHz、振幅1V p−p 、振幅変調率30%、変調周波数80Hz)がかかった信号をゼロクロスコンパレータに通した前後の波形を示す。 Figure 5 (a) (b) the amplitude modulation shown (frequency 100kHz, amplitude 1V p-p, an amplitude modulation of 30%, a modulation frequency 80 Hz) waveform before and after the took signals passed through the zero-cross comparator. これより、ゼロクロスコンパレータにより振幅変調が除去され、振幅が一定の方形波に整形されていることがわかる。 From this, the amplitude modulation is removed by the zero-cross comparator, it can be seen that the amplitude is shaped into a certain square wave. 同様に位相変調(周波数100kHz、振幅1V p−p 、位相変調率30°、変調周波数80Hz)の信号の様子も図5(c)(d)に示す。 Similarly phase modulation (frequency 100kHz, amplitude 1V p-p, the phase modulation index 30 °, the modulation frequency 80 Hz) shown in state of the signal also FIG 5 (c) (d). これより、整形後の波形は、振幅が一定の方形波でかつ位相変調が保存されていることがわかる。 From this, waveform after shaping, it can be seen that the amplitude and phase modulation of constant square wave is stored.
【0030】 [0030]
ここで図5(a)−(d)において参照信号を各々の上部に示す。 Here, FIG. 5 (a) - shows the reference signal at the top of each in (d). また図5(a)の下部は振幅変調がかかった信号を示し、図5(b)の下部はこれを整形した信号を示す。 The lower part of FIG. 5 (a) shows the signal applied amplitude modulation, showing the signal bottom that shapes it in FIG. 5 (b). また図5(c)の下部は位相変調がかかった信号を示し、図5(d)の下部はこれを整形した信号を示す。 The lower part of FIG. 5 (c) shows the signal applied phase modulation, showing the signal bottom that shapes it in FIG. 5 (d).
【0031】 [0031]
位相変調率を変え、ゼロクロスコンパレータ通過後の位相変調の幅をオシロスコープから直接読み取った測定結果を図6に示す。 Changing the phase modulation factor, shown in FIG. 6 a measurement result of reading directly the width of the phase modulation after passing zero-cross comparator from the oscilloscope. これより、ゼロクロスコンパレータ前後で位相変調率は比例関係にあることがわかる。 From this, the phase modulation index before and after the zero-cross comparator is seen that a proportional relationship.
【0032】 [0032]
(振幅(共焦点信号)の測定法) (Measurement of the amplitude (confocal signal))
図3のいずれかの周波数の信号から、試料20の各位置に対する振幅の大きさを求める必要がある。 From one of the frequency of the signal in FIG. 3, it is necessary to obtain the magnitude of the amplitude for each position of the sample 20. そこで、まずバイアスおよび変調周波数の信号から振幅を得ることを考える。 Accordingly, first consider obtaining the amplitude from the signal of the bias and modulation frequency. これらはローパスフィルタあるいはバンドパスフィルタを用いることにより抽出することができる。 It can be extracted by using a low-pass filter or a band-pass filter. また、この信号には位相変調がかかっていないという利点もある。 Further, this signal there is an advantage that not under phase modulation. しかし、試料を動かしたときの振幅の変化は大きくない。 However, the change in amplitude is not great when you move the sample. これと比較して、ビート周波数およびその側帯波の信号は、変化が大きくより効率的に検出できるものと考えられる。 In comparison, the beat frequency and the signal of the side bands is considered to change efficiently detected than large. そこで、ビート周波数のみを抽出することを考えられる。 Therefore, it is considered that extracts only the beat frequency. しかし、実際の変調周波数は80Hzで、ビート周波数は100kHzであるので、側帯波は100kHzに対して80Hzしか離れていない。 However, the actual modulation frequency is 80Hz, because the beat frequency is a 100kHz, sideband is only away 80Hz against 100kHz. さらに、位相変調もかかっているので、周波数差はより小さくなるものと考えられる。 Further, since the hanging also phase modulation, the frequency difference is considered to become smaller. したがって、側帯波からキャリア周波数成分を抽出するのは非常に難しくなる。 Therefore, it is very difficult to extract the carrier frequency component from the sideband. したがって、側帯波を含めた信号から、振幅変調および位相変調の影響を受けずに、干渉信号の振幅のみを抽出することが必要である。 Therefore, from the signal including the sideband, without being affected by the amplitude modulation and phase modulation, it is necessary to extract only the amplitude of the interference signal.
【0033】 [0033]
(RMS−DC変換器による振幅の抽出) (Amplitude extraction with RMS-DC converter)
干渉信号の振幅情報の抽出には、変調周期より十分長い時間で信号を積分すれば、振幅変調および位相変調は、ともに平均化され、その影響は抑圧されると考え、信号の積分にRMS−DC変換器32(図9参照)を用いる。 The extraction of amplitude information of the interference signal, by integrating the signal in a sufficiently longer time than the modulation period, amplitude modulation and phase modulation are averaged together, considered the effect is suppressed, the integral of the signal RMS- DC converter 32 is used (see FIG. 9).
【0034】 [0034]
まず、RMS−DC変換器(AD736、アナログ・デバイセズ)32に振幅変調および位相変調がかかった信号を入力し、その特性を調べる。 First, RMS-DC converter (AD736, ADI) receives the signal applied amplitude modulation and phase modulation 32, examined its characteristics. 周波数100kHz、振幅1.0V p−pの正弦波をRMS−DC変換器に入力し、出力電圧を20dBに増幅して測定する。 Frequency 100kHz, a sine wave of amplitude 1.0 V p-p is input to the RMS-DC converter is measured by amplifying the output voltage to 20 dB. 入力信号は、振幅を0.1V p−pから0.5V p−pまで0.1V p−pずつ変化させる。 Input signal varies the amplitude from 0.1V p-p 0.5V p-p to each 0.1 V p-p. また、振幅変調率は、0%から100%まで5%ずつ変化させ、さらに、位相変調率は0°から180°まで5°ずつ変化させる。 The amplitude modulation rate, in 5% increments from 0% to 100% by changing further the phase modulation index is changed by 5 ° from 0 ° to 180 °. 測定例として振幅が0.1V p−pの時の結果を図7に示す。 Amplitude as measurement example shown in FIG. 7 the results when the 0.1V p-p. これより、RMS−DC変換器32の出力電圧は入力信号の位相変調率には依存しないことがわかる。 From this, the output voltage of the RMS-DC converter 32 to the phase modulation index of the input signal seen to be independent. しかし、振幅変調率を大きくすると、出力電圧も若干大きくなっていくことがわかる。 However, increasing the amplitude modulation rate, the output voltage it can be seen that becomes larger slightly.
【0035】 [0035]
そこで、入力信号の振幅の大きさに対するRMS−DC変換器32の出力特性を詳しく調べるために、振幅を10mV p−pから500mV p−pまで、10mV p−pずつ変化させて同様な測定を行なう。 Therefore, in order to investigate the output characteristics of the RMS-DC converter 32 to the size of the amplitude of the input signal, the amplitude from 10 mV p-p to 500 mV p-p, a similar measurement while changing every 10 mV p-p carried out. ここで位相変調はかけていないことにする。 Here phase modulation will be not wearing.
【0036】 [0036]
図8に測定結果を示す。 Figure 8 shows the measurement results. 図8において振幅は50mV p−pおきに示す。 Amplitude in FIG. 8 shows the 50 mV p-p intervals. 図8に示すように、振幅が400mV p−pまでは、振幅変調率の増加にともなって、出力電圧も増加していくが、振幅が400mV p−pを過ぎると、この傾向は逆転する。 As shown in FIG. 8, the amplitude has to 400 mV p-p, with an increase of the amplitude modulation rate, the output voltage increases, the amplitude passes a 400 mV p-p, the trend is reversed. しかし、同じ振幅変調率に関して、振幅が大きいほど出力も大きく、この関係が崩れることはないことがわかる。 However, for the same amplitude modulation factor, as the output is large amplitude is large, it can be seen that there is no possibility that this relationship is broken. したがって、RMS−DC変換器32を用いて、干渉信号の振幅を抽出する場合、同じ振幅でも、得られる値は振幅変調率によって異なる。 Thus, using a RMS-DC converter 32, when extracting the amplitude of the interference signal, in the same amplitude, the resulting value is different depending on an amplitude modulation factor. しかし、実際の測定では振幅変調率は一定であり、また、共焦点信号のピーク位置が特定できればよいので、RMS−DC変換器32を干渉信号の振幅の抽出に用いることができる。 However, in an actual measurement is constant amplitude modulation factor, also, since it is able to identify the peak position of the confocal signal, it is possible to use RMS-DC converter 32 to extract the amplitude of the interference signal.
具体的実施の形態 PREFERRED EMBODIMENTS Specific embodiments
次に図9により上記基本原理を用いた具体的実施の形態について説明する。 Next, the form of specific embodiments with the basic principle will be described with reference to FIG.
【0037】 [0037]
図9に示すように、本発明による測定装置は試料20に対して周波数可変光を投光する光源としての半導体レーザダイオード(LD)11と、LD11からの光を偏光の相違により一対の分離光に分けるとともに各分離光の周波数を変化させる周波数シフタ12と、周波数シフタ12と試料20との間に配置された偏光ビームスプリッタ17とを備えている。 As shown in FIG. 9, the measuring apparatus according to the present invention and a semiconductor laser diode (LD) 11 as a light source for projecting the variable frequency light to the sample 20, a pair of separated light by the difference in the polarization of light from the LD11 It includes a frequency shifter 12 for changing the frequency of each separate light and a polarizing beam splitter 17 disposed between the frequency shifter 12 and the sample 20 with divided into. また、偏光ビームスプリッタ17の試料20側には1/4波長板(quater−wave plate)18と対物レンズ19が設けられている。 Further, quarter-wave plate (quater-wave plate) 18 and the objective lens 19 is provided in the sample 20 side of the polarization beam splitter 17.
【0038】 [0038]
また周波数シフタ12と試料20との間の光路と交差するとともに偏光ビームスプリッタ17を通る直線上において、偏光ビームスプリッタ17の一側に1/4波長板(quarter−wave plate)16および参照鏡15が順次配置され、偏光ビームスプリッタ17の他側に偏光子22およびレンズ23を介してピンホール24と光電子増倍管(検出器)25が順次配置されている。 Moreover on a straight line passing through the polarization beam splitter 17 as well as intersects the optical path between the frequency shifter 12 and the sample 20, the quarter-wave plate on one side of the polarization beam splitter 17 (quarter-wave plate) 16 and the reference mirror 15 There are sequentially disposed, pinhole 24 and a photomultiplier tube through a polarizer 22 and the lens 23 on the other side of the polarization beam splitter 17 (detector) 25 are sequentially arranged.
【0039】 [0039]
さらにこの光電子増倍管25には、ハイパスフィルタ26、ゼロクロスコンパレータ27および位相計28が順次接続され、また位相計28にはロックインアンプ29が接続されている。 Further to this photomultiplier tube 25, the high-pass filter 26 is connected the zero-cross comparator 27 and phase meter 28 are sequentially and lock-in amplifier 29 is connected to the phase meter 28. またハイパスフィルタ26にはアンプ31、RMS−DC変換器(平方自乗平均−直流変換器)32、およびアンプ33が順次接続され、このアンプ33とロックインアンプ29は演算部35に接続されている。 Also the high-pass filter 26 amplifier 31, RMS-DC converter (Root Mean Square - DC converter) 32, and the amplifier 33 are sequentially connected, the amplifier 33 and the lock-in amplifier 29 is connected to the arithmetic unit 35 .
【0040】 [0040]
また演算部35はステージ制御部36に接続され、このステージ制御部36は試料20を保持する移動ステージ21を駆動制御するようになっている。 The arithmetic unit 35 is connected to the stage controller 36, the stage control unit 36 ​​is adapted to drive control the moving stage 21 for holding a sample 20.
【0041】 [0041]
なお、上記構成部分のうち、RMS−DC変換器32により振幅検出部が構成され、ゼロクロスコンパレータ27、位相計28およびロックインアンプ29により位相変調率信号検出部が構成される。 Among the above components, the amplitude detection unit is constituted by the RMS-DC converter 32, a zero-cross comparator 27, the phase modulation index signal detection unit is constituted by the phase meter 28 and the lock-in amplifier 29.
【0042】 [0042]
また位相計28と周波数シフタ12との間には、ローパスフィルタ40、二重平衡変調器41および高周波信号発生器42a,42bが配設されている。 Also between the phase meter 28 and the frequency shifter 12, low-pass filter 40, the double balanced modulator 41 and the high frequency signal generator 42a, 42b are arranged. さらに周波数シフタ12は、偏光ビームスプリッタ12a,12bと、音響光学素子12c,12dとを有している。 Further frequency shifter 12 has a polarization beam splitter 12a, and 12b, acousto-optic device 12c, and 12d.
【0043】 [0043]
またロックインアンプ29には、ファンクションジェネレータ37が接続され、このファンクションジェネレータ37はLD駆動部38を介してLD11を駆動制御するようになっている。 Further to the lock-in amplifier 29, the function generator 37 is connected, the function generator 37 is adapted to drive and control the LD11 through the LD driving unit 38.
【0044】 [0044]
次に図9により本発明による測定方法について説明する。 Next, a description will be given of the measuring method according to the present invention by FIG.
【0045】 [0045]
図9に示すように、半導体レーザー11(TOSHIBA,TOLD−9140,λ=688nm@40mA、10mW)は、ファンクションジェネレータ38からの信号により変調周波数f =80Hzの正弦波で注入電流変調される。 As shown in FIG. 9, the semiconductor laser 11 (TOSHIBA, TOLD-9140, λ = 688nm @ 40mA, 10mW) is injection current modulated by a signal from the function generator 38 by a sine wave of the modulation frequency f m = 80 Hz. これによりLD11の発振周波数v(t)および電場E(t)は、それぞれ式(5)(11)で示すように変調される。 Thus LD11 oscillation frequency v (t) and the electric field E (t) is modulated as indicated by the respective formula (5) (11). LD素子の温度はペルチェ素子により18.00±0.01℃に安定化されている。 Temperature of the LD element is stabilized in 18.00 ± 0.01 ° C. by the Peltier element.
【0046】 [0046]
LD11からの出射光はレンズ50,51により平行光(ビーム径1mm)にされ、直交偏波型光周波数シフタ(HOYA、S−210−633)12に入射する。 Light emitted from the LD11 is collimated light (beam diameter 1mm) by the lens 50 and 51, orthogonal polarization optical frequency shifter (HOYA, S-210-633) incident on 12. 周波数シフタ12内で入射光は偏光の違いによって2つに分けられ、異なる周波数(80MHzと80.1MHz)により駆動される2つの音響光学素子12c,12dにより、各分離光は周波数シフト(周波数の変化)を受け、再び合波される。 Incident light in the frequency shifter 12 within is divided into two by the difference in polarization, different frequencies two acousto-optic device 12c which is driven by (80 MHz and 80.1MHz), by 12d, each separated light frequency shift (frequency change) the received, it is multiplexed again. これにより出射光は互いに偏光方向が直交し、かつ周波数差V が100kHzの同軸の一対の分離光となる。 Thus the emitted light polarization directions orthogonal to each other, and the frequency difference V b is the coaxial pair of separating light 100kHz. この光をレンズ13,14により光束を拡大し偏光ビームスプリッタ17に導入する。 By this light lens units 13 and 14 are introduced into the polarizing beam splitter 17 to expand the light beam.
【0047】 [0047]
偏光ビームスプリッタ17で直交する直線偏光に二分された光のうち、一方は対物レンズ19を通して試料20を照明し、他方は参照鏡15を照明する参照光として用いる。 Of the bisected into linearly polarized light orthogonal in polarization beam splitter 17 light, one illuminates the sample 20 through an objective lens 19, the other used as a reference beam that illuminates the reference mirror 15.
【0048】 [0048]
ここで、もし他方の光の焦点が試料20内のある界面に合っているとすると、試料20の界面および参照鏡15からの反射光は1/4波長板16,18を往復して通過することによりそれぞれ偏光方向は90°回転し、偏光偏光ビームスプリッタ17で再び合波され、偏光子22により偏光干渉される。 Here, if the focal point of the other light is to match the interface with the sample 20, light reflected from the interface and the reference mirror 15 of the sample 20 passes back and forth a quarter-wave plate 16 and 18 rotating each polarization direction 90 ° by, it is multiplexed again by the polarized-beam polarizing beam splitter 17 is polarization interference by the polarizer 22. さらにレンズ23でピンホール24上に集光し、光電子増倍管25(浜松ホトニクス、光センサモジュールH5783−01)により検出される。 And focused on a pinhole 24 in addition lens 23, a photomultiplier tube 25 (Hamamatsu Photonics, optical sensor module H5783-01) it is detected by.
【0049】 [0049]
ところで、光周波数シフタ12を駆動する高周波信号発生器42a,42bからの信号が分波され、この信号により2重平衡変調器41およびローパスフィルタ40を用いて、周波数100kHzの信号を発生させている。 Meanwhile, the high frequency signal generator 42a for driving the optical frequency shifter 12, the signal from 42b is demultiplexed using a double balanced modulator 41 and the low-pass filter 40 by the signal, and generates a signal of frequency 100kHz . これを位相計28の基準ビート信号として用いることにより、従来必要となっていたLD光およびHe−Ne光とを混合・分離するための光学素子が不要となり、光学系の簡素化とともにLD光の利用効率も向上する。 By using this as a reference beat signal phase meter 28, optical elements for mixing and separating the conventionally required which has been a LD light and He-Ne light is not required, the LD light with simplification of the optical system also improved utilization efficiency.
【0050】 [0050]
光電子増倍管25により検出したビート信号は、ハイパスフィルタ26により、バイアス成分が取り除かれ、位相変調率測定用の回路と振幅測定用の回路とに分岐される。 Beat signal detected by the photomultiplier tube 25, the high-pass filter 26, a bias component is removed, it is branched to a circuit for phase modulation measurements and a circuit for amplitude measurement.
【0051】 [0051]
まず、位相変調率測定用の回路では、光電子増倍管25により検出した信号はゼロクロスコンパレータ27によって方形波に変換され、振幅変調成分が取り除かれる。 First, the circuit for phase modulation factor measurement signal detected by the photomultiplier 25 are converted by the zero-cross comparator 27 to a square wave, the amplitude modulation component is eliminated. この信号は位相計(Stanford Research Systems,Digital Lock−In Amplifier,SR850)28に入力される。 This signal is input phase meter (Stanford Research Systems, Digital Lock-In Amplifier, SR850) 28. 位相計28では二重平衡変換器41を用いて発生した基準ビート信号と、ゼロクロスコンパレータ27からの信号の位相を比較して、その差に比例した電圧を出力する。 A reference beat signal generated using a double balanced converter 41 in the phase meter 28, by comparing the phase of the signal from the zero-cross comparator 27, and outputs a voltage proportional to the difference. さらにこの出力信号は、後続のロックインアンプ(エヌエフ回路設計ブロック、Lock−In Voltmeter、5560)29に入力される。 Further, this output signal, subsequent lock-in amplifier (NF circuit design block, Lock-In Voltmeter, 5560) is input to 29. ロックインアンプ29の参照信号にはファンクションジェネレーター37からの信号を用いているので、位相計28の出力のうちLD11の変調周波数と同一の周波数成分の信号の振幅と位相とを測定することができる。 Since the reference signal of the lock-in amplifier 29 is used a signal from the function generator 37, it is possible to measure the amplitude and phase of the signal of the same frequency components and the modulation frequency of the LD11 of the output from the phase meter 28 . ロックインアンプ29からの測定値は演算部35に取り込まれる。 Measurements from the lock-in amplifier 29 is fed to the processing unit 35.
【0052】 [0052]
次に、振幅測定用の回路では、光電子増倍管25により検出した信号はアンプ31によって適当に減衰され、RMS−DC変換器32に入力される。 Next, the circuit for amplitude measurement signal detected by the photomultiplier tube 25 is suitably attenuated by the amplifier 31, is input to the RMS-DC converter 32. 次にこの直流出力信号はアンプ33で増幅され、演算部35に取り込まれる。 Then the DC output signal is amplified by the amplifier 33, it is fed to the processing unit 35.
【0053】 [0053]
試料20を載せたステージ21は演算部35およびステージ制御部36によって制御されており、各試料20の位置において位相変調率と振幅を記録していく。 Stage 21 carrying the sample 20 is controlled by the computation unit 35 and the stage control unit 36, it will record the phase modulation index and amplitude at the location of each sample 20. さらに取得したデータの解析はオフラインで行なわれる。 Further analysis of the acquired data is performed off-line.
【0054】 [0054]
次に演算部35における演算方法について述べる。 Next described calculation method in the calculation unit 35. 波長走査型ヘテロダイン干渉法による光路長差測定では、可変波長幅が既知でなければならない。 In the optical path length difference measurement by the wavelength scanning heterodyne interferometry, the variable wavelength width must be known. しかし、波長計を用いて動作状態の波長を測定は困難であるため、ここでは予め実際に既知の光路長を測定し、それより位相変調率と光路差との関係を求める。 However, since the wavelength of the operating state using a wavelength meter measurement is difficult, now determines the optical path length of the known pre Indeed, it from obtaining the relationship between the phase modulation index and an optical path difference.
【0055】 [0055]
すなわち予めマイケルソン干渉計で手動ステージにのせた基準となる鏡を光軸方向に移動させ位相変調率を測定しておく。 That advance by measuring the phase modulation index to move the mirror as a reference topped manually stage pre Michelson interferometer in the optical axis direction. 測定結果を図10に示す。 The measurement results are shown in Figure 10. 図10に示すように鏡の移動に伴って、測定値(○印)は線形に変化している。 With the movement of the mirror 10, the measured value (○ mark) it is changing linearly. この傾きを求めると、0.589mV/mmとなる。 When determining this slope, the 0.589mV / mm. これは、16.01°/mmに相当する。 This corresponds to 16.01 ° / mm. また、ゼロ光路差(4.3mm)の前後で位相(□印)が反転することにより光路差の符号の判定を行なう。 Further, it is determined sign of the optical path difference by the phase (□ mark) is inverted before and after the zero optical path difference (4.3 mm). そして図10に示す光路差と位相変調率との関係に基づいて、位相変調率から光路長の増加分を求めることができる。 Then, based on the relationship between the optical path difference and the phase modulation index shown in FIG. 10, it is possible to determine the increase in optical path length from the phase modulation index.
【0056】 [0056]
ところで平面鏡を、光軸方向に走査することによって検出器の深度応答を測定する。 Meanwhile the plane mirror, to measure the depth response of the detector by scanning the optical axis direction. まず図11(a)(b)により、本発明による干渉信号の振幅から求めた結果(図11(a))と、比較例としての参照光を遮ることによって強度から求めた結果(図11(b))をそれぞれに示す。 The first 11 (a) (b), the results obtained from the amplitude of the interference signal according to the present invention and (FIG. 11 (a)), the results obtained from the intensity by blocking the reference light as a comparative example (FIG. 11 ( b)) are shown in each. 図11(a)に示す本発明のほうが、幅が広がっているが、この原因は、(12)式から予想されるとおり、干渉信号の振幅から求めた深度応答は、強度から求めた深度応答の平方根を取った形となるからであり、また、RMS−DC変換器32の入力信号の振幅に対する非線形性の影響も含まれていると考えられる。 Towards the present invention shown in FIG. 11 (a), but has spread width, this cause, (12) as expected from the expression, the depth response determined from the amplitude of the interference signal, the depth responses obtained from the intensity It is because the shape took the square root, also believed to include the influence of non-linearity with respect to the amplitude of the input signal RMS-DC converter 32. これらの結果から半値半幅を求めると、それぞれ17μm、13μmとなり、また、双方のピーク位置の違いは1μm程度である。 When these results seek half width at half maximum, respectively 17 .mu.m, 13 .mu.m, and the addition, the difference of both the peak position is about 1 [mu] m.
【0057】 [0057]
次に、演算部35において、屈折率・厚さの分離測定を行なう。 Then, the arithmetic unit 35, the separation measurements of refractive index and thickness. 試料20として例えば平行平面基板(BK7ガラス、厚さ1084μm、屈折率1.513)を用いた場合におけるRMS−DC変換器32で測定した干渉信号の振幅を図12(a)に示し、また位相計28の出力信号を図12(b)に示す。 Samples 20 and to for example a plane-parallel board (BK7 glass, thickness 1084Myuemu, refractive index 1.513) the amplitude of the interference signal measured by RMS-DC converter 32 in the case of using the shown in FIG. 12 (a), also phase a total of 28 output signals shown in Figure 12 (b).
【0058】 [0058]
図12(a)に示すピークは試料20の表面・裏面に焦点が合ったときに相当している。 Peaks shown in FIG. 12 (a) corresponds to when the focus on the front and back sides of the specimen 20. また、図12(b)では、図12(a)のピーク位置の付近しか値が求まっていない。 Further, in FIG. 12 (b), the not been obtained is only a value near the peak position of FIG. 12 (a). これは、検出された干渉信号がゼロクロスコンパレータ27のしきい値より下回るので、入力波形が正確に方形波に整形されず、位相計28での測定が不能となるためである。 Since this detected interference signal is below the threshold of the zero-cross comparator 27, it is not shaped correctly to a square wave input waveform, because the measurement of the phase meter 28 becomes impossible.
【0059】 [0059]
図12(a)から、まずピーク間隔に基づいて光の焦点が試料20の一面から他面へ移るのに必要な試料の移動距離を求める。 Figure 12 (a), first focal point of the light based on the peak interval obtaining the moving distance of the sample required to move from one surface to the other surface of the sample 20. 次に位相計28およびロックインアンプ29により得られた図12(b)に示す位相変調率に基づいて、図10に示す光路長と位相変調率との関係により光路の増加分を求める。 Then based on the phase modulation index shown in FIG. 12 (b) obtained by the phase meter 28 and the lock-in amplifier 29 to determine the increase in the optical path by the relationship between the optical path length and phase modulation index shown in FIG. 10.
【0060】 [0060]
その後、式(1)−(2)を用いて試料20の屈折率と幾何学的厚さを算出すると1.52±0.02、1170±13μmとなる。 Thereafter, formula (1) - a to the 1.52 ± 0.02,1170 ± 13μm calculated refractive index and geometrical thickness of the sample 20 using (2).
【0061】 [0061]
ところで位相計28で測定できる範囲は−180°から180°までの範囲である。 Incidentally range that can be measured with a phase meter 28 is in the range of up to 180 ° from -180 °. 位相変調率(位相変調の位相の振幅)がこの範囲に収まっているときは、測定は問題ない。 When the phase modulation index (magnitude of the phase modulation phase) is within this range, the measurement is not a problem. しかし、位相変調率が±180°の外に出ると測定は不能となる。 However, measuring the phase modulation rate goes outside of ± 180 ° is impossible. これが位相変調率(すなわち光路差)の最大測定レンジとなる。 This is the maximum measurement range of the phase modulation rate (i.e. the optical path difference). ただし、位相変調率がこれより小さくても位相のバイアス分(初期位相)の値によっては、途中で、180°を上回り、あるいは、−180°を下回ってしまうことも考えられる。 However, depending on the value of the bias of the phase it is phase modulation rate is less than this (initial phase), on the way, greater than 180 °, or is also contemplated that falls below the -180 °. これを回避するためにこの初期位相を例えば0、90、180、270°と4回位相をシフトさせ、位相変調率の測定を行なうことにより測定不能状態を回避することができる。 The this initial phase for example 0, 90, 180, 270 ° and four phase-shifted in order to avoid this, it is possible to avoid a measurement impossible state by measuring the phase modulation index.
【0062】 [0062]
【発明の効果】 【Effect of the invention】
以上のように本発明によれば、試料の幾何学厚さおよび屈折率を迅速かつ確実に求めることができる。 According to the present invention as described above, it can be determined geometric thickness and the refractive index of the sample quickly and reliably.
【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
【図1】本発明の測定原理を示す図。 It shows the measurement principle of the present invention; FIG.
【図2】波長走査型ヘテロダイン干渉法の測定原理を示す基本構成図。 [2] The basic configuration diagram showing a measurement principle of a wavelength scanning heterodyne interferometry.
【図3】ビート信号の周波数成分を示す図。 FIG. 3 shows the frequency components of the beat signal.
【図4】振幅変調率と位相計出力との関係を示す図。 Figure 4 is a graph showing a relation between the amplitude modulation factor and a phase meter output.
【図5】ゼロクロスコンパレータを通過前後の信号波形を示す図。 FIG. 5 shows a front and rear signal waveform passes through zero-cross comparator.
【図6】ゼロクロスコンパレータ通過後の位相変調の幅を示す図。 6 shows the width of the phase modulation of the zero-cross comparator passes.
【図7】RMS−DC変換器の出力電圧を示す図。 7 is a diagram showing the output voltage of the RMS-DC converter.
【図8】RMS−DC変換器の出力電圧を示す図。 8 shows the output voltage of the RMS-DC converter.
【図9】本発明による試料の幾何学的厚さおよび屈折率測定装置を示す概略図。 Schematic diagram illustrating the geometrical thickness and the refractive index measuring device of the sample by the present invention; FIG.
【図10】鏡の変位と位相変調率の関係を示す図。 Figure 10 is a diagram showing a relationship between displacement and phase modulation of the mirror.
【図11】試料の変位と検出器の出力の関係を示す図。 11 is a diagram showing the relationship between the output of the displacement detector of the sample.
【図12】RMS−DC変換器と位相計の出力を示す図。 12 is a diagram showing the output of the RMS-DC converter and a phase meter.
【図13】共焦点顕微鏡の基本原理を示す図。 13 is a diagram showing the basic principle of confocal microscopy.
【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS
11 LD 11 LD
12 周波数シフタ15 参照鏡17 偏光ビームスプリッタ19 対物レンズ20 試料21 ステージ24 ピンホール25 検出器27 ゼロクロスコンパレータ28 位相計29 ロックインアンプ32 RMC−DC変換器35 演算部36 ステージ制御部 12 Frequency shifter 15 reference mirror 17 a polarizing beam splitter 19 objective lens 20 specimen 21 stage 24 pinhole 25 detector 27 zero-cross comparator 28 phase meter 29 lock-in amplifier 32 RMC-DC converter 35 calculation unit 36 ​​stage control unit

Claims (6)

  1. 試料に対して周波数可変光を投光する光源と、 A light source for projecting the variable frequency light to the sample,
    光源からの光を偏光の相違により一対の分離光に分けるとともに、各分離光の周波数を予め定められたシフト量だけ変化させる周波数シフタと、 With divided into a pair of separate light by difference of the polarization light from the light source, and a frequency shifter for changing shift amount a predetermined frequency of each separation light,
    周波数シフタと試料との間の光路中に配置された偏光ビームスプリッタと、 A polarization beam splitter disposed in an optical path between the frequency shifter and the sample,
    周波数シフタと試料との間の光路と交差するとともに偏光ビームスプリッタを通る直線上において、偏光ビームスプリッタの一側に配置された参照鏡と、偏光ビームスプリッタの他側に配置され偏光ビームスプリッタを通り参照鏡から反射する一方の分離光と、偏光ビームスプリッタを通り試料から反射する他方の分離光との干渉により生じる干渉信号を検出する検出器と、 As the straight line passing through the polarizing beam splitter with intersects the optical path between the frequency shifter and the sample, and a reference mirror disposed on one side of the polarization beam splitter, a polarization beam splitter disposed on the other side of the polarization beam splitter one of the separation light reflected from the reference mirror, a detector for detecting an interference signal caused by the interference with the other separating light reflected by the polarization beam splitter from the street sample,
    検出器からの干渉信号に基づいて振幅を求める振幅検出部と、 An amplitude detector for determining the amplitude based on the interference signal from the detector,
    検出器からの干渉信号に基づいて位相変調率信号を求める位相変調率信号検出部と、 And a phase modulation index signal detector for determining the phase modulation index signal based on the interference signal from the detector,
    振幅検出部からの振幅に基づいて、他方の分離光の焦点が試料の一面から他面へ移るのに必要な試料の移動距離を求めるとともに、各分離光の周波数のシフト量と、位相変調信号検出部からの位相変調率信号に基づいて焦点が試料の一面から他面へ移る際の他方の分離光の光路長の増加分を求め、この移動距離および光路長の増加分に基づいて試料の幾何学的厚さおよび屈折率を求める演算部と、 Based on the amplitude from the amplitude detector, together with the focus of the other separating light obtain the moving distance of the sample required to moves to the other surface from one surface of the sample, and the shift amount of the frequency of each separation light, phase modulation signal seeking the increase in the optical path length of the other separation light when the focus based on the phase modulation index signal moves to the other side from the one surface of the sample from the detector, the sample based on increase of the moving distance and the optical path length a calculation unit for determining the geometrical thickness and refractive index,
    を備えたことを特徴とする試料の幾何学的厚さおよび屈折率測定装置。 Geometric thickness and the refractive index measuring device sample comprising the.
  2. 演算部は予め設定された位相変調率信号と光路長の増加分との関係式に基づいて、位相変調率信号から光路の増加分を求めることを特徴とする請求項1記載の試料の幾何学的厚さおよび屈折率測定装置。 The arithmetic unit based on a previously set phase modulation rate signal and relationship between the increase in optical path length, the geometry of the sample according to claim 1, wherein the determination of the increase in the optical path from the phase modulation index signal thickness and refractive index measuring device.
  3. 試料は周波数シフタに対して離接自在に移動するステージにより保持されていることを特徴とする請求項1記載の試料の幾何学的厚さおよび屈折率測定装置。 Samples geometric thickness and the refractive index measuring device of the sample according to claim 1, characterized in that it is held by the stage moving detaching freely with respect to the frequency shifter.
  4. 請求項1記載の幾何学的厚さおよび屈折率測定装置を用いた測定方法において、 In the measurement method using the geometric thickness and the refractive index measuring device according to claim 1,
    試料を周波数シフタに対して相対的に移動させる工程と、 A step of relatively moving with respect to the frequency shifter of the sample,
    光源からの光のうち周波数シフタで分離された一方の分離光を偏光ビームスプリッタを経て参照鏡に反射させるとともに、周波数シフタで分離された他方の分離光を偏光ビームスプリッタを経て試料に反射させ、これら一対の分離光を干渉させて干渉信号として検出器により検出する工程と、 To the separation light separated by the frequency shifter of the light causes reflected reference mirror through a polarizing beam splitter from the light source, through the polarization beam splitter is reflected on the sample and the other separated light separated by frequency shifter, a step of detecting by the detector as an interference signal by interfering the pair of separating light,
    検出器からの干渉信号に基づいて振幅検出部により振幅を求める工程と、 A step of determining the amplitude by the amplitude detection unit based on the interference signal from the detector,
    検出器からの干渉信号に基づいて位相変調率信号検出部により位相変調率信号を求める工程と、 A step of determining a phase modulation factor signal by the phase modulation index signal detecting unit based on the interference signal from the detector,
    演算部において、振幅検出部からの振幅に基づいて他方の分離光の焦点が試料の一面から他面へ移るのに必要な試料の移動距離を求めるとともに、各分離光の周波数のシフト量と、位相変調率検出部からの位相変調率信号に基づいて焦点が試料の一面から他面へ移る際の他方の分離光の光路長の増加分を求め、この移動距離および光路長の増加分に基づいて試料の幾何学的厚さおよび屈折率を求める工程と、 The calculating unit, with calculating the moving distance of the sample required for the focus of the other separated light based on the amplitude from the amplitude detector moves to the other surface from one surface of the sample, and the shift amount of the frequency of each separation light, seeking the increase in the optical path length of the other separation light when the focus based on the phase modulation index signal moves to the other side from the one surface of the sample from the phase modulation factor detection unit, based on the increase of the moving distance and the optical path length a step of determining the geometrical thickness and the refractive index of the sample Te,
    を備えたことを特徴とする測定方法。 Measuring method characterized by comprising a.
  5. 位相変調率信号から光路長の増加分を、予め設定された位相変調率信号と光路の増加分の関係式に基づいて求めることを特徴とする請求項3記載の測定方法。 Measurement method according to claim 3, wherein the determination on the basis of the increase in optical path length from the phase modulation rate signal, a pre-set phase modulation rate signal and the increment of the relationship of the optical path.
  6. 試料は周波数シフタに対して離接自在に移動するステージにより保持され、このステージにより試料が周波数シフタに対して移動することを特徴とする請求項3記載の測定方法。 The sample is held by the stage moving detaching freely with respect to the frequency shifter, measuring method according to claim 3, wherein the sample by the stage moves relative to the frequency shifter.
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US8072611B2 (en) * 2007-10-12 2011-12-06 Zygo Corporation Interferometric analysis of under-resolved features
DE102008017119A1 (en) * 2008-04-02 2009-10-08 Polytec Gmbh Vibrometer and method for optical measurement of an object
US8004688B2 (en) 2008-11-26 2011-08-23 Zygo Corporation Scan error correction in low coherence scanning interferometry
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