JPH10293019A

JPH10293019A - 光ヘテロダイン干渉を用いた高さ形状測定方法及び測定装置

Info

Publication number: JPH10293019A
Application number: JP10154597A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Fujita; 宏夫藤田
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1997-04-18
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 1998-11-04

Abstract

(57)【要約】【課題】従来よりも位相の検出範囲を拡大し、｜λ／
４｜以上の寸法までも測定できる光ヘテロダイン干渉を
用いた測定方法及び測定装置を実現することを目的とす
る。【解決手段】２ビーム光走査の差動型光ヘテロダイン
干渉計で、位相を検出する光路の他に、反射光強度も併
せて検出する光路を新たに設け、位相と共に反射光強度
を検出する。直流成分をもつ反射光強度は走査の定点位
置で２分割受光器により共焦点型の検出を行う。２分割
検出した出力信号から物体面に照射した２ビーム光の間
の相互の照射位置関係を判定し、位相が｜π｜を超えた
回数を検出することで位相の検出範囲を｜π｜以上まで
拡大し、｜λ／４｜以上の高さ寸法まで測定可能にす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光ヘテロダイン干渉
計を用いた高さ形状測定において、従来よりも高さ寸法
の測定範囲を広げることが可能な光ヘテロダイン干渉計
を用いた高さ形状測定方法と測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】精密部材の表面粗さ、平坦度などの高さ
形状測定には光干渉計が多く用いられている。フィゾー
干渉計、トワイマン−グリーン干渉計などでは、同一周
波数の二光波を干渉させ、表面の凹凸形状に応じた干渉
縞分布を検出する構成である。このとき、光の波長λの
半分（λ／２）が干渉縞計測の基準目盛りになるため、
〜０．３μｍ程度の分解能での測定ができる。これより
も更に高分解能（例えば０．０１μｍ）の測定が必要な
場合は光ヘテロダイン干渉計が用いられる。これは周波
数の異なる二光波を干渉させ、差の周波数で光強度が振
動するビートを電気信号として検出する方法である。光
ヘテロダイン干渉では、光の周波数領域での位相変化
が、はるかに低周波数（数１００ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程
度）のビート信号の位相変化としてそのまま現れる。ビ
ート信号の位相の１度の変化は、光波長の１／７２０に
相当するため、ナノメートル領域の分解能が得られる。

【０００３】光ヘテロダイン干渉計は周波数の異なる２
つのレーザ光の作成方法に関して各種の構成がある。ゼ
ーマンレーザ、半導体レーザの駆動電流変調、２つの音
響光学素子（以下ＡＯＤと記載）を用いる方法などが知
られている。ここでは、一つのＡＯＤを２周波数成分の
電気信号で駆動し、周波数の異なる２ビーム光を発生さ
せる差動型の方法について説明する。ＡＯＤにはレーザ
光の走査機能もあるため、上記の差動型システムは、微
小スポットに集光した２ビーム光を被測定物の面上で走
査させるビーム走査型である。なお、本方法については
本願発明者により、特許公報平３−４４２４３号公報の
“光ヘテロダイン干渉法による表面形状測定装置”に詳
細に述べられている。

【０００４】図２は一つのＡＯＤを用いた従来の光ヘテ
ロダイン干渉計の構成例である。ここではレーザ光は１
次元走査を行うものとする。レーザ光源２１から発せら
れたレーザ光２１０はＡＯＤ２２に入射する。ＡＯＤ２
２の動作を制御するＡＯＤドライバー２３は、周波数ｆ
ａを発する信号源２３２と周波数ｆｍを発する信号源２
３４を入力とし、２周波数成分ｆａ±ｆｍの信号を作成
してＡＯＤ２２に印加する。周波数ｆｍは２ビーム光へ
の分離を行い、周波数ｆａは２ビーム光の走査を行わせ
る。このとき発生する２ビーム光２１２と２１３は互い
に周波数が異なる（差周波数が２ｆｍ）ため、光ヘテロ
ダイン干渉が可能である。

【０００５】ＡＯＤ２２から発せられた２ビーム光の一
部をビームスプリッター（以下ＢＳと記載）２１５で反
射し、集光レンズ２１７を介して受光器２４で検出して
参照光ビート信号２４２を作成する。ＢＳ２１５を透過
した２ビーム光は対物レンズ２２０で微小スポットに集
光され、被測定物２５に照射されて面上を走査する。被
測定物２５から反射された２ビーム光は元の光路を逆進
し、ＢＳ２１５で反射されて集光レンズ２１９で集光さ
れ、受光器２６で検出されて反射光ビート信号２６２を
作成する。参照光ビート信号２４２の位相は一定である
が、反射光ビート信号２６２の位相は被測定物２５の表
面形状に応じて変化する。

【０００６】位相比較器２７は、一定位相の参照光ビー
ト信号２４２を基準として反射光ビート信号２６２との
間の位相差を検出し、反射光ビート信号２６２の位相変
化から高さ形状を測定する。以上の位相検出は２ビーム
光走査の各位置で行い、走査全体にわたって検出された
位相データを演算処理して、被測定物２５の表面形状を
測定する。ビート信号は、交流成分（ＡＣ）に直流成分
（ＤＣ）がバイアスされたもので、位相検出を行うとき
は、通常はＤＣ成分はカットし、ＡＣ成分のみを検出す
る。このＡＣ成分がビート信号で、その周波数は２ビー
ム光の周波数差となる２ｆｍである。

【０００７】以上に示した従来の光ヘテロダイン干渉計
は、２ビーム光が照射された２点間の光路長差（段差）
を電気信号の位相差から測定する差動型検出である。図
３に表面形状と位相の関係を示す。（ａ）は位相角度の
検出例、（ｂ）と（ｃ）は表面形状と２ビーム光の関係
である。従来の位相検出は、表面の凹凸までも含めて検
出する場合、位相角度が−πとπｒａｄの間で検出す
る。図３（ａ）の場合、点３１の位相はφ₁で正、点３
２の位相はφ₂で負である。共に位相の絶対値はπ以下
である。位相が正の場合は図３（ｂ）のように、２ビー
ム光を構成するビーム３４がビーム３３より高い位置に
ある凸表面である。位相が負の場合は図３（ｃ）のよう
に、ビーム３３がビーム３４よりも高い位置にある凹表
面である。このようにして、位相の正負の符号から表面
の凹凸を判定し、位相の大きさから２ビーム光の間の凹
凸寸法ｈを測定する。

【０００８】次に、位相と表面高さの関係式を示す。検
出した位相φと２ビーム光の間の光路差ｈの関係は数式
ｈ＝λφ／４πで表される。ここで、−π≦φ≦πであ
る。したがって、位相の１度は波長の１／７２０に相当
することになり、ビート信号の位相と表面高さｈは比例
関係にある。検出する位相が±πｒａｄ以内の場合、測
定される凹凸の高さ範囲（２ビーム光の間の光路長差）
は±λ／４（＋は表面が凸、−は表面が凹）以内であ
り、波長が０．６３３μｍのＨｅ−Ｎｅレーザ光を用い
たときは±０．１５μｍが測定限界である。なお、検出
される位相は表面の微分形状（一種の表面粗さ）を表す
ため、走査の一周期にわたって検出された全体の位相デ
ータを積分（接続）することにより表面形状が測定され
る。

【０００９】以上は凹凸の形状までも含めて測定する例
であったが、表面が凸であるか、凹であるか、あらかじ
め分かっている場合は、同じく位相を０〜±π、あるい
は０〜２πｒａｄの範囲で検出することにより、λ／２
の絶対値｜λ／２｜（以下、｜λ／２｜と記載）の寸法
まで測定範囲を拡大できる。位相を±πの範囲で検出す
る場合、例えば表面が凸形状の場合、λ／４までの段差
では位相が０〜πまでの正の値で検出できる。段差がλ
／４を超えてλ／２までの場合は、位相が０〜−πまで
の負の値で検出される。例えば負の位相で−１５０度が
得られた場合、実際の位相は正の値で１８０＋３０＝２
１０度であると変換してから段差を測定する。表面が凹
形状の場合は上記と逆である。したがって、上記の場合
は位相の正負の符号から段差がλ／４以上か以下である
かを判定し、位相の補正を行って｜λ／２｜までの寸法
を測定する。また、位相を０〜２πの範囲で検出する場
合も、表面の凹凸形状に応じた位相の回転方向から検出
した位相値を補正することで｜λ／２｜までの寸法が測
定できる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】被測定物の凹凸判定ま
でも含め、位相を±πｒａｄで検出する場合、２ビーム
光の間の光路長差がλ／４の絶対値｜λ／４｜（以下、
｜λ／４｜と記載）を超えれば位相は、πの絶対値｜π
｜（以下、｜π｜と記載）ｒａｄを超えてしまう。図４
に位相が｜π｜を超える場合の位相検出例を示す。点４
１は位相がπを超えて、例えば本来は２３０度の場合
で、図３（ｂ）の表面が凸の状態とする。位相検出範囲
が±πの場合、実際に検出される位相は−（１８０−５
０）＝−１３０度となってしまい、位相が負であるため
図３（ｃ）のように表面が凹であると判定されてしま
う。これは、位相角度がπを超えたことが判定できない
ために生じる。すなわち、従来型の位相検出では、ｎπ
＋φ（ｎ≧１）のｎが不定となり、｜π｜以下の位相し
か検出されない。そのため、従来の光ヘテロダイン干渉
計で凹凸までも含めた測定では、測定可能な凹凸寸法は
±λ／４以内であった。

【００１１】被測定物の凹凸があらかじめ分かってい
て、位相を０〜±πｒａｄ、あるいは０〜２πｒａｄの
範囲で検出する場合、上記と同様に、２ビーム光の間の
光路差が｜λ／２｜を超えれば位相は２πの絶対値｜２
π｜（以下、｜２π｜と記載）を超えてしまう。この場
合も、｜２π｜以上の位相は区別できないため、測定可
能な凹凸の寸法は±λ／２以内で、それ以上の寸法は測
定できないという問題がある。以上の課題は、従来の光
ヘテロダイン干渉計がビート信号の位相だけを検出対象
としていたことによる。本発明は位相検出範囲を｜π
｜、あるいは｜２π｜以上まで拡大することで、｜λ／
４｜あるいは｜λ／２｜以上の段差までも正確に測定で
きる光ヘテロダイン干渉を用いた測定方法及び測定装置
を実現することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明における光ヘテロダイン干渉を用いた高さ形状測
定方法は、レーザ光源から放射されたレーザ光を第一の
ビームスプリッターを透過させて音響光学素子に入射
し、該音響光学素子を二周波数成分の信号を発する音響
光学素子ドライバーで駆動して周波数が異なる２ビーム
光を発生させ、該２ビーム光を第二のビームスプリッタ
ーと対物レンズを透過させ、微小なスポットに集光した
２ビーム光を高さ形状が測定される被測定物面上に照射
して走査し、該被測定物からの反射光の一部を前記第二
のビームスプリッターで反射させ、該反射光を第一の受
光器で受光して交流の反射光ビート信号を検出し、該反
射光ビート信号と同じ周波数で一定位相の参照信号を基
準として前記反射光ビート信号の位相変化を位相比較器
で検出し、第一の位相データとして位相記憶部に記憶す
ると共に、前記第二のビームスプリッターを透過した反
射光を前記第一のビームスプリッターで反射させ、該反
射光を第二の受光器で受光して直流の反射光強度信号を
検出し、差動強度検出部で前記第二の受光器からの反射
光強度信号を演算し、該演算された反射光強度信号の強
度変化から前記被測定物面上での２ビーム光の焦点方向
への照射位置の光路差に対応した第二の位相データを位
相判定部で検出し、位相補正部により前記第一の位相デ
ータと第二の位相データを比較し、前記第二の位相デー
タに応じて前記第一の位相データを補正して前記被測定
物の高さ形状を測定することを特徴とする。

【００１３】さらには、前記第二の受光器は２分割型の
受光器とし、該２分割受光器の前にピンホール、あるい
はスリットを設置し、反射光を対称な二つの領域に分割
し、各領域での強度分布の中央部付近の一部の範囲の強
度を個別に検出して反射光強度信号を作成する。また、
前記差動強度検出部は前記２分割型受光器の各々の受光
部から出力される二つの強度信号の間の差動強度から前
記被測定物の凹凸形状を測定すると共に、前記二つの強
度信号の間の強度比から前記被測定物面上での２ビーム
光の焦点方向への照射位置の光路差に対応した第二の位
相データを検出することを特徴とする。

【００１４】また、本発明における光ヘテロダイン干渉
を用いた高さ形状測定装置は、レーザー光を放射するレ
ーザ光源と、該レーザー光から二周波数成分の信号を発
生させ周波数が異なる２ビーム光を発生し被測定物面上
を照射しかつ走査する音響光学素子と、該音響光学素子
を制御する音響光学素子ドライバーと、該２ビーム光を
高さ形状が測定される被測定物面上に微小なスポットに
集光する対物レンズと、該被測定物からの反射光の一部
を反射する第二のビームスプリッターと、該反射光を受
光して交流の反射光ビート信号を検出する第一の受光器
と、該反射光ビート信号と該反射光ビート信号と同じ周
波数で一定位相の参照信号との位相変化を検出する位相
比較器と、該位相変化を第一の位相データとして記憶す
る位相記憶部と、前記第二のビームスプリッターを透過
する前記被測定物からの反射光の一部を反射するように
構成され前記レーザ光源と前記音響光学素子との間に設
ける第一のビームスプリッターと、該第一のビームスプ
リッターからの反射光を受光して直流の反射光強度信号
を検出する第二の受光器と、該第二の受光器からの該反
射光強度信号の強度変化を演算する差動強度検出部と、
該演算された反射光強度信号の強度変化から前記被測定
物面上での２ビーム光の焦点方向への照射位置の光路差
に対応した第二の位相データを検出する位相判定部と、
前記第一の位相データと前記第二の位相データとを比較
する位相補正部とを備え、前記位相補正部において前記
第一の位相データと前記第二の位相データを比較し、前
記第二の位相データに応じて前記第一の位相データを補
正することによって前記被測定物の高さ形状を測定する
ように構成されていることを特徴とする。

【００１５】さらに、第二の受光器は、２分割型の受光
器と、該２分割受光器の前に設けるピンホール、あるい
はスリットとを備え、入射する反射光を対称な二つの領
域に分割し、各領域の強度分布の中央部付近の一部の強
度を個別に検出して反射光強度信号を作成するように構
成されている。また、前記差動強度検出部は前記２分割
型受光器の各々の受光部から出力される二つの強度信号
の間の差動強度から前記被測定物の凹凸形状を測定する
と共に、前記二つの強度信号の間の強度比から前記被測
定物面上での２ビーム光の焦点方向への照射位置の光路
差に対応した第二の位相データを検出するように構成さ
れていることを特徴とする。

【００１６】（作用）ＡＯＤにより発生させられた２ビ
ーム光を試料表面に照射し、試料からの反射光を検出す
るとき、ＡＣ成分の反射光ビート信号による位相検出の
ほかに、ＤＣ成分の反射光強度信号を検出する光路を新
たに設け、位相と反射光強度を異なる位置で個別に検出
する。表面の凹凸までも含めて形状を測定する場合、位
相を±πの範囲で検出する。反射光ビート信号の位相検
出は従来型と同様に行い、位相比較により検出した位相
を第一の位相データφ₁として位相記憶部に記憶する。
｜φ₁｜≦｜π｜であれば、検出した位相は形状に対応
する。｜φ₁｜＞｜π｜であれば、位相と形状は対応し
なくなる。しかし、位相データだけからは位相が｜π｜
を超えたか否かは不明である。そこで、位相φ₁が｜π
｜より大きいか小さいかの判定、及び｜π｜を超えてい
る場合は｜π｜を何回超えたかの判定を行うのに直流の
反射光強度信号を用いる。

【００１７】反射光強度は照射レーザ光の焦点方向への
照射位置に応じて変化し、被測定物がレーザ光の焦点位
置に置かれた場合に最も反射光強度が高く、焦点位置か
ら離れるにしたがって強度が減少する。そのため、反射
光強度を検出することで、被測定物の位置、すなわち、
照射レーザ光の焦点方向への照射位置がわかる。反射光
強度を検出する場合、ピンホール、あるいはスリットを
受光器の前に設置し、それを通して反射光強度分布の中
央部付近の一部の範囲の強度だけを検出する。この検出
はレーザ走査顕微鏡の分野でよく知られた共焦点型の検
出である。共焦点検出は、被測定物面上に照射されるレ
ーザ光の照射位置が焦点位置から離れると、反射光強度
が急激に減少するという特性がある。すなわち、共焦点
検出は焦点位置近傍の照射位置を高感度で検出できる。
この共焦点検出効果を利用することで、被測定物面上に
照射された２ビーム光の焦点方向への照射位置の差（光
路長差）を｜λ／４｜程度の分解能で検出し、強度変化
から位相が｜π｜を超えた回数ｎを測定する。

【００１８】共焦点位置での反射光強度の検出には２分
割型受光素子を用い、反射光を対称な二つの領域に分割
し、各々の領域の反射光強度を個別にスリットを通して
検出する。なお、反射光強度の検出はＡＯＤを再度通過
させた位置で行うため、走査の定点位置である。そのた
め、２ビーム光の走査位置に関わらず、反射光は常に受
光器の一定位置に入射する。２分割受光器の各々の出力
信号をＩａ、Ｉｂとしたとき、差動強度Ｉａ−Ｉｂと強
度比Ｉａ／Ｉｂを検出する。ＩａとＩｂがほぼ等しい場
合は、２ビーム光がほぼ同じ高さ位置に照射されている
状態である。そのとき検出された位相φ₁は｜π｜を超
えないと判断し、位相φ₁を正しい位相と判定する。Ｉ
ａ＞Ｉｂ、あるいはＩａ＜Ｉｂで、差が一定値以上の場
合は、２ビーム光の焦点方向への照射位置が離れている
場合である。このとき、一度、被測定物を焦点方向の予
め設定された方向に微小距離だけ移動させて反射光強度
を再度検出すると、移動前後の反射光強度変化とＩａ−
Ｉｂの符号により試料表面の凹凸形状が判定できる。

【００１９】反射光強度Ｉａ、Ｉｂ間の強度比、例え
ば、Ｉａ／Ｉｂ＝ｋから２ビーム光の焦点方向への照射
位置の差を判定する。Ｉａ＞Ｉｂのとき、照射位置の差
が大きくなる（段差が大）にしたがって強度比ｋが大き
くなり、位相が｜π｜を超えるようになる。そこで、強
度比ｋから２ビーム光の間の段差が｜λ／４｜を超える
回数、すなわち、位相角度が｜π｜を超える回数ｎを第
二の位相データとして位相判定部で検出する。このと
き、差動強度Ｉａ−Ｉｂの符号により位相角度が変化す
る回転方向がわかる。そこで、位相比較器で得られた第
一の位相データφ₁とＩａ−Ｉｂから得られた表面凹凸
形状、及び強度比Ｉａ／Ｉｂから得られた位相が｜π｜
を超えた回数ｎの３種類の情報から、位相φ₁の値を位
相補正部で補正し、正しい位相を算出して正確な高さ形
状、寸法を測定する。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下図面により本発明の実施の形
態について詳述する。図１は本発明の構成と動作を説明
するブロック図である。レーザ光源１０は、例えばＨｅ
−Ｎｅレーザ、半導体レーザなどから成り、レーザ光１
００を放射する。第一のビームスプリッター（以下第一
のＢＳと記載）１１を透過したレーザ光１００はＡＯＤ
１２に入射する。ＡＯＤ１２は、周波数ｆａを発する第
一の信号源１１２と周波数ｆｍを発する第二の信号源１
１４からの二つの信号を入力とする音響光学素子ドライ
バー（以下にＡＯＤドライバーと記載）１１０で駆動さ
れる。ここで、周波数ｆａは２ビーム光の走査を制御す
る。周波数ｆｍは２ビーム光への分離を制御し、周波数
が高くなるほど分離が大きくなる。ここで作成された２
ビーム光１１６と１１８は互いに周波数が異なり、差の
周波数は２ｆｍである。

【００２１】２ビーム光１１６と１１８は第二のビーム
スプリッター（以下には第二のＢＳと記載）１３を透過
し、対物レンズ１２２で微小なスポット径に集光され、
高さ形状が測定される被測定物１２４に照射される。そ
のとき、２ビーム光は被測定物１２４の面上を走査す
る。被測定物１２４で反射した２ビーム光はもとの光路
を逆進し、第二のＢＳ１３でその一部の強度が反射さ
れ、第一の受光器１４で受光される。このとき受光され
る２ビーム光をＥ₁、Ｅ₂としたとき、Ｅ₁とＥ₂を下
記の式で表す。Ｅ₁＝Ａ₁ｅｘｐ｛ｉ（φ₁−ω₁ｔ）｝Ｅ₂＝Ａ₂ｅｘｐ｛ｉ（φ₂−ω₂ｔ）｝上式において、Ａ₁、Ａ₂は振幅、φ₁、φ₂は位相、
ω₁、ω₂は角周波数を表す。２ビーム光Ｅ₁、Ｅ₂が
第一の受光器１４の受光面で干渉したときの干渉光強度
Ｉは下記の式で表される。Ｉ＝Ａ₁ ²＋Ａ₂ ²＋２Ａ₁Ａ₂ｃｏｓ（Δφ＋Δωｔ）ここで、Δφ＝φ₁−φ₂、Δω＝ω₁−ω₂＝４πｆ
ｍである。この干渉光を光電変換して強度に比例した干
渉信号を得る。

【００２２】上式で表される反射光強度は交流成分２Ａ
₁Ａ₂ｃｏｓ（Δφ＋Δωｔ）に直流成分Ａ₁ ²＋Ａ₂ ²が
重畳されたものである。第一の受光器１４では直流成分
はカットして交流成分のみを検出し、反射光ビート信号
１４２を発する。位相Δφは被測定物１２４の面上での
２ビーム光の間の光路長差に応じて変化する。位相検出
には比較する相手の信号が必要で、反射光ビート信号１
４２と同一周波数をもち、一定位相の参照信号１４４を
比較の基準として用いる。参照信号１４４は第二の信号
源１１４から発せられる周波数ｆｍ（一般には、数１０
０ｋＨｚ〜数ＭＨｚである）を２倍にする周波数てい倍
回路により２ｆｍの周波数に変換したものを用いればよ
い。また、図２の従来技術で示したように、第二のＢＳ
１３で２ビーム光の一部を反射させ、その反射光を干渉
させて作成してもよい。

【００２３】位相比較器１５は参照信号１４４と反射光
ビート信号１４２を入力とし、両者の位相差を検出す
る。被測定物１２４の凹凸までも区別して段差を測定す
るときは、位相は±πｒａｄで検出する。参照信号１４
４の位相は一定、反射光ビート信号１４２の位相は被測
定物１２４の表面形状に応じて変化するから、位相比較
器１５で検出された位相差は被測定物１２４の表面形状
に対応する。なお、位相は被測定物１２４の面上の各走
査位置毎に検出する。こうして検出した位相差を第一の
位相データとして位相記憶部１５５に記憶する。第一の
位相データがφ₁のとき、φ₁からは位相が｜π｜を超
えたか否かの判定ができない。そのため、位相以外の情
報も検出することにより、φ₁が正しいか否かを判定す
る。

【００２４】第二のＢＳ１３を透過した反射光は、ＡＯ
Ｄ１２を逆進して第一のＢＳ１１で反射され、第二の受
光器１６で受光される。この反射光は２ビームである
が、図では一本のビームで記載する。反射光はＡＯＤ１
２を再透過した後で検出するため、走査の定点位置での
受光である。したがって、２ビーム光が被測定物１２４
の面上のどの位置を走査していても、反射光は第二の受
光器１６の一定位置に入射する。第二の受光器１６は２
分割受光素子の構成で、反射光を対称な二つの領域に分
割し、各々の領域の強度を個別に検出する。このとき、
反射光強度の交流成分信号はカットし、直流成分の反射
光強度信号のみを検出する。直流の反射光強度はＡ₁ ²＋
Ａ₂ ²に比例し、２ビーム光が照射された位置での反射率
や焦点位置からの距離の変動によって強度が変化する。
本発明は２分割受光器の二つの受光部でＡ₁ ²とＡ₂ ²に比
例する強度を個別に検出し、二つの反射光強度の違いか
ら、焦点方向への２ビーム光の照射位置の差が｜λ／４
｜を何回超えているかを検出する。

【００２５】第二の受光器１６の２分割受光素子の各面
にはスリットを張り付け、スリットの隙間を通して、反
射光の強度分布の中央部付近の一部の範囲の反射光強度
を検出する。この検出法は共焦点型検出といわれ、被測
定物１２４に対して照射レーザ光がその焦点位置に照射
されているときは反射光強度は高く、焦点位置から離れ
るにしたがって反射光強度が急激に低下する特性を持っ
ている。これは、焦点から離れた位置からの反射光は、
第二の受光器１６がある位置でスポット径が大きく広が
るため、スリットを通して受光面に達する反射光量が大
きく減少するためである。被測定物の位置が２ビーム光
の焦点位置から大きく離れていない場合は、共焦点検出
により、照射位置が焦点からどれだけ離れているかを高
感度で検出できる。この共焦点効果を用いると、被測定
物１２４の面上に照射される２ビーム光の焦点方向への
位置の差を｜λ／４｜程度の感度で検出することがで
き、位相が｜π｜を超えたか否かが感度よく判定でき
る。

【００２６】差動強度検出部１７は、第二の受光器１６
からの二つの反射光強度信号１６２（出力電圧ＩａでＡ
₁ ²に比例）と１６４（出力電圧ＩｂでＡ₂ ²に比例）か
ら、差動強度Ｉａ−Ｉｂ、及び強度比Ｉａ／Ｉｂを検出
する。この検出はＩＣ回路などで行ってもよく、また、
Ａ／Ｄ変換された強度データを数値処理で行ってもよ
い。位相判定部１８は、差動強度検出部１７で検出され
たＩａ−Ｉｂの符号及びＩａ／Ｉｂの値から、被測定物
１２４の面上に照射された２ビーム光の高さの関係を判
定し、２ビーム光の間の位相差が｜π｜を何回超えてい
るかという第二の位相データを検出する。反射光強度Ｉ
ａとＩｂがほぼ等しい場合は、２ビーム光が被測定物１
２４に対してほぼ同じ高さ位置に照射されていると判断
し、反射光ビート信号１４２から検出した第一の位相デ
ータφ₁は｜π｜を超えないと判定する。

【００２７】２ビーム光の照射位置の差が大きくなれば
Ｉａ−Ｉｂが大きくなる。それは２ビーム光の一方の光
束の照射位置が焦点からはずれるためである。ＩａとＩ
ｂの差が一定以上のとき、Ｉａ−Ｉｂの符号の正負から
表面の凹凸を判定する。例えば、Ｉａ＞Ｉｂの場合は表
面が凸、Ｉａ＜Ｉｂの場合は表面が凹であると判定で
き、表面凹凸情報から位相角度の回転方向が決定でき
る。強度比Ｉａ／Ｉｂは２ビーム光の間の照射位置の差
を判定する。例えばＩａ＞Ｉｂの場合、強度比が大きく
なるほど２ビーム光の間の高さの差は大きくなる。この
場合は第一の位相データφ₁が｜π｜を超えていると判
断でき、｜π｜を超えた回数ｎをＩａ／Ｉｂから判断す
る。以上の表面凹凸と位相が｜π｜を超えた回数ｎの判
定が可能になるのは、反射光を２分割受光器で検出する
ことによる。

【００２８】ｎ＝０の場合は位相が｜π｜を超えず、位
相比較器１５で検出した第一の位相データφ₁が正しい
位相になる。ｎ≧１の場合は位相が｜π｜を超えてお
り、位相データφ₁は正しくなくて補正する必要があ
る。位相補正部１９はｎ≧１の場合、第二の位相データ
である表面凹凸情報と位相が｜π｜を超えた回数ｎか
ら、第一の位相データφ₁を補正して正しい位相を検出
する。例えば、表面が凸で、ｎ＝１の場合、位相−φが
検出されたときの正しい位相の値は２π−φである。こ
のようにして、位相が｜π｜を超える場合でも、｜λ／
４｜以上の寸法を正確に測定することができる。なお、
本発明において反射光ビート信号１４２を第二の受光器
１６で検出しないのは、反射光がＡＯＤ１２を再透過す
れば４ｆｍなる周波数成分が発生して正確な位相変化が
測定できないためである。ところが、直流の反射光強度
の検出はその影響を受けない。

【００２９】図５、及び図６に被測定物１２４の面上で
の２ビーム光を示して、本発明による反射光の位相、強
度と表面形状の関係について説明する。図５（ａ）で２
ビーム光５１、５２をビームＢａ、ビームＢｂとし、段
差ｈを測定する。ｈは２ビーム光の間の位相差に比例す
る。第一の受光器１４で検出した反射光ビート信号１４
２の位相検出は従来技術と同様であるから本明細書では
省略するが、位相比較器１５でｈに対応した位相φ₁が
検出される。ｈ≦｜λ／４｜ならばφ₁は正しいが、位
相データだけからは判定できず、被測定物１２４の面上
での２ビーム光の相互の照射位置関係を以下に述べる反
射光強度情報から検出する。

【００３０】次に、反射光強度信号と２ビーム光の照射
位置の関係について説明する。図５（ｂ）の曲線５３
は、２ビーム光のうちのビームＢａを第二の受光器１６
で共焦点検出したときの照射位置と反射光強度（相対
値）の関係を表す。点５３１の焦点が合った位置では反
射光強度が最大となり、焦点位置から離れるにしたがっ
て反射光強度が減少し、遠ざかる方向と近づく方向に対
してほぼ対称に変化する。この変化の度合いは光学系の
構成、特に対物レンズのＮＡ（開口数）によって変わっ
てくる。なお、点線で示した曲線５３３は第二の受光器
１６にスリットなどを用いない通常の（非共焦点型）検
出を行った場合の強度変化で、共焦点検出に比べて強度
変化がブロードである。このことから、被測定物面上に
照射されるビームの焦点位置ズレが余り大きくない範囲
では、共焦点検出により焦点位置からのはずれの距離を
感度よく検出できる。

【００３１】２分割受光したビームＢａによる強度をＩ
ａ、ビームＢｂによる強度をＩｂとする。図５（ｃ）の
曲線５４はビームＢａ、Ｂｂの差動強度（Ｉａ−Ｉｂ）
である。２ビーム光が共に焦点に近い位置に照射されて
いるときは、｜Ｉａ−Ｉｂ｜は０にちかい値である。一
方のビームが焦点近くで、他方のビームが焦点から離れ
ると、｜Ｉａ−Ｉｂ｜は大きくなる。差動強度の符号が
正の場合は強度Ｉａが大きく、ビームＢａのほうがビー
ムＢｂよりも焦点に近い位置にあることになる。差動強
度の符号が負の場合は強度Ｉｂが大きく、ビームＢｂの
ほうがビームＢａよりも焦点に近い位置にあることにな
る。しかし、一つの差動強度データだけからは表面の凹
凸状態が決定できないという問題点がある。例えば、ビ
ームＢａが焦点位置にあるとき、ビームＢｂが焦点に近
い位置であっても遠い位置であっても、Ｉａ−Ｉｂは正
の値になり、凹凸の区別がつかない。そこで、被測定物
１２４をパルスステージなどで一度移動させ、移動前後
の反射光強度の変化から表面凹凸を判定する。

【００３２】例えば差動強度が正の場合、被測定物１２
４を設定された方向（例えば焦点から遠ざかる方向）に
一定距離だけ移動させ、ビームＢａ、Ｂｂによる反射光
強度を再度検出する。ここで強度Ｉｂが減少すればＢｂ
は焦点よりも遠い位置にあることになり、このときの表
面を凹形状と判定する。強度Ｉｂが増加すればＢｂは焦
点よりも近い位置にあることになり、表面を凸形状と判
定する。こうして、差動強度の符号、及び試料移動後の
反射光強度変化から２ビーム光の相互の位置関係が分か
り、表面の凹凸形状が決定できる。この表面凹凸の判定
は、位相検出において位相角度が正の方向に回転するの
か、負の方向に回転するのかを決定するときに重要であ
る。

【００３３】図５（ｄ）の曲線５５は反射光強度比Ｉａ
／Ｉｂ＝Ｋで、Ｉａ＞Ｉｂで表面が凸形状の場合であ
る。Ｋ＝１はビームＢａ、Ｂｂが同じ焦点位置に照射さ
れている場合である。ビームＢａに対してビームＢｂが
焦点から離れるにしたがってＫの値が大きくなり、両者
が余り離れていない場合はＫはほぼ直線的に変化する。
この直線近似できる領域でビームＢａとビームＢｂの焦
点方向への位置の差を評価する。領域５５１はビームＢ
ａとビームＢｂの位置の差が小さく、ｈ＜λ／４であ
る。このときは位相がπを超えず、πを超えた回数をｎ
としたとき、ｎ＝０である。領域５５２はビームＢａと
ビームＢｂの位置の差が少し大きく、λ／４を超えてλ
／２以下の場合である。このときはｎ＝１となり、位相
はπと２πの間である。以下同じようにして、Ｉａ／Ｉ
ｂの値から位相がπを超えた回数ｎを求めることができ
る。

【００３４】次に、位相補正部１９による位相補正の例
を示す。図６（ａ）は表面が凸形状でｎ＝１の場合の位
相補正例である。位相は±πの範囲で検出する。この場
合の位相は反時計回りに回転する。点５６は位相比較器
１５で検出された位相で、例えば−１３０度である。前
述の方法で位相判定部１８によりｎ＝１が検出されたと
き、位相は正の値でπと２πの間であるから、１８０＋
５０＝２３０度であると補正する。図６（ｂ）は表面が
凸形状でｎ＝２の場合の位相補正例である。点５７は位
相比較器１５で検出された位相で、例えば１２０度であ
る。ｎ＝２が検出されたとき、位相は正で２πと３πの
間にあり、３６０＋１２０＝４８０度であると補正す
る。以上の方法により、ｎが余り大きくないときは、ｎ
の値から位相の補正が可能である。

【００３５】図７に以上説明した本発明の動作のフロー
チャート図を示す。ステップ６００は２ビーム光の走査
で、２ビーム光を被測定物１２４の面上に照射し、一定
範囲を走査する。ステップ６０２は第一の受光器１４で
の反射光検出による第一の位相検出で、位相比較器１５
で検出した位相φ₁を位相記憶部１５５に記憶する。ス
テップ６０４は第二の受光器１６による反射光強度の検
出で、２分割受光器で２分割検出されたＩａ、Ｉｂなる
二つの直流成分の強度データを検出する。ステップ６０
６は差動強度検出で、Ｉａ−Ｉｂ及び強度比Ｉａ／Ｉｂ
を検出して記憶する。

【００３６】ステップ６０８は被測定物１２４の焦点方
向への移動と反射光強度検出で、予め定められた方向へ
微小距離だけ移動させ、ステップ６０４と同様に直流の
反射光強度を検出する。ステップ６１０は被測定物１２
４の表面凹凸判定で、移動の前後の反射光強度の変化と
差動強度から表面凹凸を判定する。ステップ６１２は第
二の位相検出で、ステップ６０６で得られた差動強度と
強度比、及びステップ６１０で得られた表面凹凸データ
から位相が｜π｜を何回超えたかの回転数ｎを判定す
る。ステップ６１４は位相補正で、ステップ６０２で検
出した位相φ₁とステップ６１２で検出した｜π｜の回
転数ｎから、φ₁を補正して正しい位相を検出する。ス
テップ６１６は形状検出で、位相データを高さに変換
し、被測定物１２４の形状、寸法などを算出する。

【００３７】図８に本発明の光ヘテロダイン干渉装置を
実現する光学装置の具体的な構成例を示す。レーザ光源
１０から放射された直線偏光を有するレーザ光１００は
第一のＢＳ１１を透過する。第一のＢＳ１１は偏光方向
に依存して透過、反射の大きさが変わる偏光ビームスプ
リッター（以下ＰＢＳと記載）の構成で、入射光のほぼ
全体を透過させる。第一のＢＳ１１を透過したレーザ光
は、シリンドリカルレンズ７０と凸レンズ７１の組合せ
で、紙面に平行な面内に広がり、紙面に垂直な面内に集
光されるシートビームに変換してＡＯＤ１２に照射す
る。ＡＯＤ１２からは前述のごとく周波数ｆｍに応じて
分離された２ビーム光が発生する（図８には図示せ
ず）。ＡＯＤ１２を出射した２ビーム光は、凸レンズ７
２とシリンドリカルレンズ７３により、シートビームの
形状が変換され、位置７３０以降の光路は再び円形ビー
ムとして進行する。

【００３８】円形発散光として進行する２ビーム光は第
二のＢＳ１３（同じくＰＢＳの構成である）を透過して
凸レンズ７４でコリメートされ、対物レンズ７５で集光
されて被測定物１２４に照射されると共に面上を走査す
る。被測定物１２４からの反射光は第二のＢＳ１３で一
部の強度が反射され、集光レンズ７６を介して第一の受
光器１４で検出される。ここでは交流の反射光ビート信
号を作成して位相変化を検出する。第二のＢＳ１３を透
過した２ビーム光はＡＯＤ１２を再透過して、第一のＢ
Ｓ１１で反射され、集光レンズ７７を介してスリットが
取り付けられた第二の受光器１６で検出される。ここで
は反射光を２分割して検出し、直流の反射光強度から第
二の位相データを検出する。

【００３９】図９に第二の受光器１６による２分割共焦
点検出例を示す。受光器中央部８１は分離帯で、左右の
二つの受光面８２と８３に分割する。各受光面８２と８
３にはスリットを張り付け、斜線で示した領域では反射
光をカットし、各受光面の中央８２５と８３５を通して
反射光を検出する。このとき、図８に示した集光レンズ
７７の焦点距離を調整することで、中央の受光面に入射
する反射光のスポット径を変えることができ、反射光の
強度分布の中央部付近の強度だけを検出することで共焦
点検出が実現できる。

【００４０】

【発明の効果】上記のごとく本発明による光ヘテロダイ
ン干渉測定方法及びその装置は、位相の他に反射光強度
も検出する構成である。従来の位相検出は｜π｜ｒａｄ
の範囲しか測定できなかったため、｜λ／４｜が高さ寸
法測定の限界であった。本発明は共焦点効果を用いた反
射光強度検出により、位相の検出範囲を｜π｜ｒａｄ以
上まで拡大することで｜λ／４｜以上までの高さ測定が
可能となり、光ヘテロダイン干渉装置の適用範囲を拡大
することができる。反射光強度の検出では２分割型受光
器を用いることで、表面の凹凸形状の容易に測定でき、
位相検出の信頼性が高まる。その結果、ｎｍ〜μｍの広
い範囲にわたって、ｎｍオーダの分解能で高さ形状測定
が可能である。さらには、物体面に照射する２ビーム光
は互いにほぼ同一の光路をたどるため、外乱の影響を受
けにくく安定した測定が可能で、生産ラインでのインラ
イン計測に適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成と動作を説明するブロック図であ
る。

【図２】従来の光ヘテロダイン干渉装置の構成と動作を
説明する図である。

【図３】従来の位相検出法と表面形状の関係を説明する
図である。

【図４】従来の位相検出法における誤測定の例を説明す
る図である。

【図５】本発明による反射光強度と位相の関係を説明す
る図である。

【図６】本発明による反射光強度と位相の関係を説明す
る図である。

【図７】本発明の測定動作を説明するフローチャート図
である。

【図８】本発明による光学系の構成の一実施例を示す図
である。

【図９】本発明による反射光の２分割検出の実施例を示
す図である。

【符号の説明】

１０レーザ光源１１第一のビームスプリッター１２音響光学素子１３第二のビームスプリッター１４第一の受光器１５位相比較器１６第二の受光器１７差動強度検出部１８位相判定部１９位相補正部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光源から放射されたレーザ光を第
一のビームスプリッターを透過させて音響光学素子に入
射し、該音響光学素子を二周波数成分の信号を発する音
響光学素子ドライバーで駆動して周波数が異なる２ビー
ム光を発生させ、該２ビーム光を第二のビームスプリッ
ターと対物レンズを透過させ、微小なスポットに集光し
た２ビーム光を高さ形状が測定される被測定物面上に照
射して走査し、該被測定物からの反射光の一部を前記第
二のビームスプリッターで反射させ、該反射光を第一の
受光器で受光して交流の反射光ビート信号を検出し、該
反射光ビート信号と同じ周波数で一定位相の参照信号を
基準として前記反射光ビート信号の位相変化を位相比較
器で検出し、第一の位相データとして位相記憶部に記憶
すると共に、前記第二のビームスプリッターを透過した
反射光を前記第一のビームスプリッターで反射させ、該
反射光を第二の受光器で受光して直流の反射光強度信号
を検出し、差動強度検出部で前記第二の受光器からの反
射光強度信号を演算し、該演算された反射光強度信号の
強度変化から前記被測定物面上での２ビーム光の焦点方
向への照射位置の光路差に対応した第二の位相データを
位相判定部で検出し、位相補正部により前記第一の位相
データと第二の位相データを比較し、前記第二の位相デ
ータに応じて前記第一の位相データを補正して前記被測
定物の高さ形状を測定することを特徴とする光ヘテロダ
イン干渉を用いた高さ形状測定方法。
【請求項２】前記第二の受光器は、２分割型の受光器
とし、該２分割受光器の前にピンホール、あるいはスリ
ットを設置し、反射光を対称な二つの領域に分割し、各
領域の強度分布の中央部付近の一部の強度を個別に検出
して反射光強度信号を作成することを特徴とする請求項
１に記載の光ヘテロダイン干渉を用いた高さ形状測定方
法。
【請求項３】差動強度検出部は、前記２分割型受光器
の各々の受光部から出力される二つの強度信号の間の差
動強度から前記被測定物の凹凸形状を測定すると共に、
前記二つの強度信号の間の強度比から前記被測定物面上
での２ビーム光の焦点方向への照射位置の光路差に対応
した第二の位相データを検出することを特徴とする請求
項２に記載の光ヘテロダイン干渉を用いた高さ形状測定
方法。
【請求項４】レーザー光を放射するレーザ光源と、該
レーザー光から二周波数成分の信号を発生させ周波数が
異なる２ビーム光を発生し被測定物面上を照射しかつ走
査する音響光学素子と、該音響光学素子を制御する音響
光学素子ドライバーと、該２ビーム光を高さ形状が測定
される被測定物面上に微小なスポットに集光する対物レ
ンズと、該被測定物からの反射光の一部を反射する第二
のビームスプリッターと、該反射光を受光して交流の反
射光ビート信号を検出する第一の受光器と、該反射光ビ
ート信号と該反射光ビート信号と同じ周波数で一定位相
の参照信号との位相変化を検出する位相比較器と、該位
相変化を第一の位相データとして記憶する位相記憶部
と、前記第二のビームスプリッターを透過する前記被測定物
からの反射光の一部を反射するように構成され前記レー
ザ光源と前記音響光学素子との間に設ける第一のビーム
スプリッターと、該第一のビームスプリッターからの反
射光を受光して直流の反射光強度信号を検出する第二の
受光器と、該第二の受光器からの該反射光強度信号の強
度変化を演算する差動強度検出部と、該演算された反射
光強度信号の強度変化から前記被測定物面上での２ビー
ム光の焦点方向への照射位置の光路差に対応した第二の
位相データを検出する位相判定部と、前記第一の位相デ
ータと前記第二の位相データとを比較する位相補正部と
を備え、前記、前記位相補正部において前記第一の位相データと
前記第二の位相データを比較し、前記第二の位相データ
に応じて前記第一の位相データを補正することによって
前記被測定物の高さ形状を測定するように構成されてい
ることを特徴とする光ヘテロダイン干渉を用いた高さ形
状測定装置。
【請求項５】第二の受光器は、２分割型の受光器と、
該２分割受光器の前に設けるピンホール、あるいはスリ
ットとを備え、入射する反射光を対称な二つの領域に分
割し、各領域の強度分布の中央部付近の一部の強度を個
別に検出して反射光強度信号を作成するように構成され
ていることを特徴とする請求項４に記載の光ヘテロダイ
ン干渉を用いた高さ形状測定装置。
【請求項６】差動強度検出部は、前記２分割型受光器
の各々の受光部から出力される二つの強度信号の間の差
動強度から前記被測定物の凹凸形状を測定すると共に、
前記二つの強度信号の間の強度比から前記被測定物面上
での２ビーム光の焦点方向への照射位置の光路差に対応
した第二の位相データを検出するように構成されている
ことを特徴とする請求項５に記載の光ヘテロダイン干渉
を用いた高さ形状測定装置。