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(In Japanese)干渉計測装置 achieved

Patent code P110002938
File No. A062P98
Posted date Jun 8, 2011
Application number P2001-572826
Patent number P4164261
Date of filing Mar 28, 2001
Date of registration Aug 1, 2008
International application number JP2001002534
International publication number WO2001075394
Date of international filing Mar 28, 2001
Date of international publication Oct 11, 2001
Priority data
  • P2000-097877 (Mar 30, 2000) JP
  • P2000-244031 (Aug 7, 2000) JP
Inventor
  • (In Japanese)遠藤 潤二
  • (In Japanese)陳 軍
Applicant
  • (In Japanese)国立研究開発法人科学技術振興機構
Title (In Japanese)干渉計測装置 achieved
Abstract (In Japanese)可干渉ビーム発生源と、被計測試料と、被計測試料像を観察面上に形成するレンズ系と、可干渉ビームを2系統に分割し観察面もしくはそれと等価な面上に干渉画像を形成する干渉素子と、観察面上の干渉画像を撮像する撮像素子と、該撮像素子により電気信号に変換された干渉画像を取り込み記憶しかつその干渉画像から被計測試料によって変化した位相分布を計算によって求める機能を有する計算装置とからなる干渉計測装置において、干渉素子に起因する位相変化分布を除去する手段を設ける。
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


レーザを用いた干渉計測でよく用いられる干渉計には、トワイマン・グリーン干渉計(例えば、参考文献1:サブフリンジ干渉計測基礎論、光学13(1984)55-65ページ、あるいは参考文献2:Quantitative phase analysis in electron holographic Interferometry,Appl.Opt.26(1987)377-382)、マハ・ツェンダ干渉計(参考文献3:Interference Electron Microscopy by Means of Holography.Japan.J.Appl.Phys.18(1979)2291-2294)、さらには、フィゾー干渉計(参考文献4:High Resolution Phase Measuring Laser Interferometric Microscope for Engineering Surface Metrology,SPIE 1009(1988)35-44)などがある。いずれの干渉計も一本のビームを半透鏡を透過したビームと反射したビームの2本に分割する振幅分割型である。
一方、電子線の分野でも、電子波の位相情報を利用して、物体の形状のみならず試料近傍の電磁界の分布を計測する研究が進められている。電子線の干渉計は、実用上電子線複プリズム(例えば、参考文献5:電子干渉計測の新たな展開、電子頭徹鏡30(1995)113-120)、参考文献6:特開平10-199464、参考文献7:特開平11-40097)のみで、ビームを空間的に、例えば右半分と左半分2本に分割する波面分割型である。波面分割型は、光学干渉計測に用いられた例はあまりない。
干渉計測では、被計測試料によって位相に変化が加えられたビームと参照ビームとを干渉させて干渉画像を形成し、この干渉画像から被計測試料による位相変化の分布を調べる。位相変化の分布から得られる情報は干渉系の構成によって異なるが、レーザ光学分野では被計測試料の表面の面精度や形状、厚さの不均一等の計測に応用される例が最も一般的である。電子干渉の分野では、被計測試料の形状の他に、電磁場の分布も重要な応用となっている。
干渉画像から位相変化の分布を計算する方法としては、例えば次の方法があげられる。撮像素子および画像取込ボードを介して1枚の干渉画像を計算装置に入力し、記憶させる。これを数学的にフーリエ変換すると、フーリエスペクトル図の中心を点対称中心として、干渉する2光束のなす角度と方向によって決まる基本干渉縞に対応した±1次のスペクトルが現れる。試料に起因する位相変化成分は+1次および-1次スペクトルの周りに分布しているが、どちらも等価であるので一方のスペクトルを適当な大きさの窓で選んでフーリエ逆変換すると、位相の分布が再現される。
この位相分布には、干渉させた2光束のなす角に起因する傾斜分が含まれているので、選んだスペクトルをフーリエ逆変換する前に原点に移動するか、フーリエ逆変換してから傾斜成分を補正すれば、試料によって変化した位相の分布が求められる。
高精度な干渉計測に最も良く用いられる方法として、縞走査法(フリンジ走査法、位相シフト法とも呼ばれる、文献1の58ページ3.2節)がある。この方法の計測原理の詳細は、文献1の58ページから59ページに記載されているので、詳細な説明は省略するが、簡単には以下の通りである。
この方法では、一般的には干渉縞が形成される条件のみを変化させ、観察面における物体波と参照波の相対的な位相差を1/M波長(Mは3以上の正数)ずつずらしながら記録する。記録したM枚の干渉画像群データから、試料によって変化した位相の分布φ(x,y)は(1)式で表される。


ここで、I(x,y;m)はm番目に取り込んだ干渉画像の強度分布である。物体波と参照波の相対的な位相差の変化は、通常反射鏡あるいは半透鏡をピエゾ駆動ステージ等で微動させ、参照ビームの光路長を変化させる方法によって行われている。この方法は電子干渉でも用いられており、この場合、物体波と参照波の相対的な位相差の変化は、電子線複プリズムの移動や被計測試料を照射するビームの傾きを変える方法が用いられている。
レーザ光学分野では、高精度干渉計測装置のほとんどは等倍程度の反射型で、反射型の顕微鏡の例は少ない(上記参考文献4)。透過型の顕微鏡の例はさらに少なく、コスタープリズムを用いたマハ・ツェンダ干渉計の例(参考文献8:Quantitative measurement of a phase object by frinqe scanning interference microscopy,Appl.Opt.28(1989)1615-1617)が見られる程度である。これらの例はいずれもビームの分割を振幅分割型で行っている。電子線の分野では、干渉計の制約から波面分割型で、かつ透過型の顕微鏡の例がほとんどである。
レーザ光学分野においても、透過型の顕微干渉系を波面分割方式で構成すると、大きなメリットが得られる。透過型顕微干渉系では、試料を透過したビームをレンズ系を用いて拡大するが、同時に参照ビームも拡大する必要がある。振幅分割方式の透過型顕微干渉系では、分割した2光束が大きく異なる経路を通るため、振動に影響されやすく、また極めて大きい拡大レンズ系もしくは上記参考文献8のようにそれぞれの光路に同じ拡大系を挿入することが必要である。これに対して波面分割方式では、2光束がほとんど同じ経路を通るので、振動に影響されにくく、拡大レンズ系も1系統でよい。
波面分割型の干渉系で縞走査法を実施するには、観察面で試料像と干渉縞の相対的な位置関係をずらすことが必要で、それには
1.波面分割素子を波面分割境界と直交する方向に動かす。
2.照射ビームの傾きを波面分割境界と直交する方向に変化させる。
3.波面分割素子の屈折率を変化させる。
4.物体波あるいは参照波の少なくとも一方に位相変調素子(例えば液晶板)をいれて、位相を変化させる。
5.計算装置内で位置合わせを行う場合には、干渉条件はそのままで試料を移動させる。
等の方法が考えられる。第1、第2および第5の方法は、レーザ干渉系、電子線干渉系いずれにも容易に応用できるが、レーザ干渉系では第3の方法、電子線干渉系では第4の方法は実用上困難である。
図1に波面分割型縞走査レーザ干渉計測装置の構成例を示す。この例では、波面分割素子である複プリズム5を移動して、試料像と干渉縞の相対的な位置関係を変化させる方法を示した。可干渉ビーム源(この場合はレーザ)1から出たビームをコリメータレンズ2、3によって平行光とし、試料10を照射する。試料10が小さい場合は、コリメータレンズは必ずしも必要ではない。試料10の透過像を対物レンズ4を用いて観察面21上に結像する。この例では、撮像素子20の撮像面に直接結像している。試料10を透過したビーム(図でドットを付した領域の部分)11は、照射ビームに対する屈折率の試料内における分布に応じて位相が変化している。対物レンズ4と観察面21との間の適当な位置に三角柱状の波面分割素子(ここでは複プリズム、バイプリズムとも呼ばれる)5を置くと、試料10を通ったビーム(右下がりハッチング:一般に物体波と呼ばれる)12は対物レンズ4の焦点を通った後、複プリズム5の上側を通って光軸13に近づく方向に偏向され、試料の無い側を通ったビーム(右上がりハッチング部:一般に参照波と呼ばれる)14は逆向きに偏向されて、両者が重なった部分(クロスのハッチング部)15に干渉縞が形成される。観察面21上で、試料がない部分は直線状の干渉縞となり、試料がある部分では透過ビームの位相分布に比例して直線からずれた干渉縞が観察される。
30は画像観察用のモニタであり、撮像素子20からの信号を画像化して表示する。50は計算装置で、計算装置用モニタ60を結んでレーザ干渉システムの運用と管理を行う。51は画像取り込みボードであり、画像観察用のモニタ30からの信号を計算装置50に取り込むためのインタフェイスである。なお、画像観察用モニタ30と計算装置用モニタ60は兼用することも可能である。画像観察用モニタ30上では、観察面20上と同様、試料が無い部分は直線状の干渉縞となり、試料がある部分では透過ビームの位相分布に応じてシフトした干渉縞が観察される。
縞走査干渉法を行うために、ここでは観察者の計算機50を介しての指示により、微動制御装置40に信号を送り、ピエゾ素子による微動制御機構41を用いて微動することによって、複プリズム5を光軸13と複プリズム5の波面分割境界の両者に直交する方向、図においては上または下方向に移動させる。例えば上方向に微動すると、物体波12は複プリズム5のガラスのより厚い部分を通るので位相が遅れ、参照波14は、より薄い部分を通るので位相が進む。このときの物体波と参照波の干渉する様子を図2に示す。
矢印Aで示すレーザ光が試料10を透過した物体波12であり、試料10内の屈折率分布に従って波面121、122、・・・・が凹凸の形状を有するものとなっている。一方矢印Bで示すレーザ光は参照平面波で、図では波面を直線群131、132、・・・・で示した。光軸13から左右にそれぞれθ傾いたレーザ光Aとレーザ光Bが干渉すると、左右の波面の交わったところは強め合って強度が高くなり、左右の波面が半間隔ずれて重なるところでは弱め合って強度が低くなるため、実線の曲線22で示したような強度分布の干渉縞となる。
図2の左右両端部のように、試料10の無い部分では、干渉縞の間隔dとレーザ光の波長λと傾きθの間には(2)式に示す関係があり、通常θは非常に小さいので、(3)式に示すように表される。
2dsinθ=λ (2)


この干渉縞は干渉系によって決まるので、基本干渉縞あるいはキャリア干渉縞などと呼ばれる。一方試料を透過した部分の干渉縞は直線ではなく、位相変化に対応して局所的に間隔と方向が基本干渉縞からずれたものとなる。
ここで、参照波13のレーザ光Bの位相がわずかに進んだ場合を考える。波面は破線で示す131’、132’、・・・・の位置に移動し、物体波12の凹凸の異なる部分を切るため、破線の曲線22’で示したように干渉縞がずれる。この干渉縞の移動は、物体波12と参照波13との相対的な位相関係で決まり、物体波12あるいは物体波12と参照波13の両方の位相が進みあるいは遅れても構わない。物体波12の位相が進みあるいは遅れた場合でも、複プリズム5によるビームの傾きは一定であるので、試料の像は動かない。
このようにして、基本干渉縞がその間隔dの1/M(M:3以上の正数)ずつずれた干渉画像を作成する毎に、干渉画像を撮像素子20、画像取り込みボード51を介して計算装置50に取り込む。こうして取り込んだM枚の干渉画像群を順番に並べると、画像内のある一点のレーザ光の強度は正弦曲線に従って変化している。図3は、M=3の場合、すなわちM1、M2およびM3の三枚の干渉画像について、この様子を模式的に示したものである。横軸に位相の変化量を、縦軸にレーザ光の輝度を取って各干渉画像との関係を示す。Mが3枚以上という制約は、一点に関する正弦曲線を決定するのに、最低3点のデータが必要だからである。第1番目の干渉画像内の一点の明るさは、場所によって山からであったり谷の途中からであったりするが、その点について決定された正弦曲線の原点から計った位相値が、その点を透過したレーザ光の位相値に対応する。従って、干渉画像各点についてこの値を求めれば、試料に起因する位相分布が求められる。
この位相分布の求め方を数学的に表すと、基本干渉縞があるため上述の(1)式とは記述がやや異なり、(4)式の通りに表される。


ここで、dは基本干渉縞の間隔で、その方向をy軸の方向に合わせている。左辺の第1項は、2本のビームが傾いて干渉した結果で直線的な傾きであるので、すでに解っている量であり、計算で除去することは容易である。なお、縞走査法を用いない計測も可能で、その場合は干渉画像を1枚、撮像素子20、画像取り込みボード51を介して計算装置50に取り込み、上述したフーリエ変換法で計算すればよい。
透過型顕微鏡で求められた試料に起因する位相分布とは、レーザ干渉系の場合は屈折率分布、電子線干渉系のばあいは試料の厚さ分布、内部ポテンシャルの分布(屈折率分布に相当)、試料内外の電磁場の分布である。
図4は縞走査電子線干渉装置を示したもので、簡単のため照射光学系と被計測試料と電子線複プリズムのみ示し、これらを内蔵する真空容器系、拡大レンズ系、電源系などは図示されていない。また撮像素子、計算装置など計測に必要な装置も、レーザ干渉計測装置と同様であるので省略されている。
71は電子線源であり、72はこれから放出された電子線である。電子線源71から出た電子線72は照射レンズ(照射レンズ系)73によって平行に近いビームとなり、試料74を照射する。電子線72の波面を実線で表している。電子波72の波面は、試料74を透過するとき試料74の厚さ分布や試料内外の電磁場の分布によって位相が変化し、凹凸の波面となる。電子干渉の場合の波面分割素子は、一般に電子線複プリズムだけである。電子線複プリズムは、両側電極75および76とこれらの中心の細線電極77とよりなり、細線状電極77に+100V程度の電圧を印加することにより、両側を通る電子線を引き寄せて下方で重ねる働きをする。従って、電子線通路の片側に試料を置けば、観察面78に試料透過波と参照波の干渉画像が形成される。電子線複プリズムを、矢印に示すように、わずかに右方向に移動すると、物体波と参照波の波面に、図に破線で示すように、進み遅れの差が生じて、干渉画像の縞が移動する。しかし電子線複プリズムが移動しても、傾き角は一定であるので、試料の像は移動しない。従って、電子干渉計測も、レーザ干渉の場合と同様に計測することができる。縞走査法あるいは電子線複プリズムを移動しない場合にはフーリエ変換法を用いて、試料によって変化した位相分布を計測することができる。ちなみに、電子線複プリズムの移動には、レーザ干渉計測装置と同様、ピエゾ素子やステッピングモータなどを用いるが、図示はされていない。

Field of industrial application (In Japanese)


本発明は干渉計測装置の内の主として波面分割型に属する干渉計測装置に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
可干渉ビーム発生源と、被計測試料と、被計測試料像を観察面上に形成するレンズ系と、可干渉ビームを2系統に分割し観察面もしくはそれと等価な面上に干渉画像を形成する波面分割素子と、観察面上の干渉画像を撮像する撮像素子と、該撮像素子により電気信号に変換された干渉画像を取り込み記憶しかつその干渉画像から被計測試料によって変化した位相分布を計算によって求める機能を有する計算装置と、前記可干渉ビーム発生源と前記干渉素子の間の観察面と等価な面上もしくはその近傍に前記干渉素子の波面分割境界を照射するビームを遮蔽するごときビーム遮蔽板を有することを特徴とする干渉計測装置。

【請求項2】
 
可干渉ビーム発生源と、被計測試料と、被計測試料像を観察面上に形成するレンズ系と、可干渉ビームを2系統に分割し観察面もしくはそれと等価な面上に物体波と参照波による干渉画像を形成する干渉素子と、観察面上の干渉画像を撮像する撮像素子と、該撮像素子により電気信号に変換された干渉画像を取り込み記憶しかつその干渉画像から被計測試料によって変化した位相分布を計算によって求める機能を有する計算装置と、前記観察面において試料像と干渉縞の相対的な位置関係をずらす機構を有し、
前記計算装置は、第1の干渉画像と、該第1の干渉画像とは試料像と干渉縞の相対的な位置関係のずれた第2の干渉画像とを記憶し、かつ、前記第1の干渉画像から求められた第1の位相分布と前記第2の干渉画像から求められた第2の位相分布の差を計算して位相分布の微分画像に変換し、さらにそれを前記試料像と干渉像の位置関係のずれの方向について積分することにより前記干渉素子に起因する位相分布もしくは前記被計測試料に起因する位相分布もしくはその両者を求める機能を有することを特徴とする干渉計測装置。

【請求項3】
 
可干渉ビーム発生源と、被計測試料と、被計測試料像を観察面上に形成するレンズ系と、可干渉ビームを2系統に分割し観察面もしくはそれと等価な面上に物体波と参照波による干渉画像を形成する干渉素子と、観察面上の干渉画像を撮像する撮像素子と、該撮像素子により電気信号に変換された干渉画像を取り込み記憶しかつその干渉画像から被計測試料によって変化した位相分布を計算によって求める機能を有する計算装置と、前記観察面において試料像と干渉縞の相対的な位置関係をずらす機構を有し、
前記計算装置は第1の干渉画像群と、該第1の干渉画像群の最初の干渉画像とは試料像と干渉縞の相対的な位置関係のずれた干渉画像から始まる第2の干渉画像群とを記憶し、かつ、前記第1の干渉画像群から求められた第1の位相分布と前記第2の干渉画像群から求められた第2の位相分布の差を計算して位相分布の微分画像に変換し、さらにそれを前記試料像と干渉像の位置関係のずれの方向について積分することにより前記干渉素子に起因する位相分布もしくは前記被計測試料に起因する位相分布もしくはその両者を求める機能を有することを特徴とする干渉計測装置。

【請求項4】
 
前記試料像と干渉像の相対的な位置関係のずれを生じせしめる機構が、前記干渉素子を移動するものである請求項2記載の干渉計測装置。

【請求項5】
 
前記試料像と干渉像の相対的な位置関係のずれを生じせしめる機構が、前記試料を照射する可干渉ビームの傾きを変えるものである請求項2記載の干渉計測装置。

【請求項6】
 
前記試料像と干渉像の相対的な位置関係のずれを生じせしめる機構が、前記試料を光軸と直交する面内で移動するものであり、前記計算機のメモリ内において、前記第1の位相分布もしくは前記第2の位相分布のいずれかの位置のデータを、前記第1の干渉画像と前記第2の干渉画像との間の相対的な位置関係のずれの方向へ該ずれ量だけシフトさせることを特徴とする請求項2記載の干渉計測装置。

【請求項7】
 
前記試料像と干渉像の相対的な位置関係のずれを生じせしめる機構が、前記試料を光軸と直交する面内で移動するものであり、前記計算機のメモリ内において、前記第1の干渉画像群の各干渉画像における試料位置を該群の第1番目の干渉画像に揃えた後計算された第1の位相分布と、前記第2の干渉画像群の各干渉画像における試料位置を該群の第1番目の干渉画像に揃えた後計算された第2の位相分布のいずれかの位置のデータを、前記第1の干渉画像群の第1番目の干渉画像と前記第2の干渉画像群の第1番目の干渉画像との間の相対的な位置関係のずれの方向へ該ずれ量だけシフトさせることを特徴とする請求項3記載の干渉計測装置。

【請求項8】
 
観察面上における干渉縞をその間隔の正数M(>=3)分の1ずつ移動させて(M+1)枚の干渉画像群を記録し、第1の干渉画像群を前記(M+1)枚の干渉画像群の1枚目からM枚目、第2の干渉画像群を前記(M+1)枚の干渉画像群の2枚目から(M+1)枚目とする請求項3記載の干渉計測装置。

【請求項9】
 
Kを2以上の正数、kを1からKまで変化する変数、Mを3以上の正数、mを1からMまで変化する変数とし、干渉縞と試料の位置関係を1/(K×M)ずつすらした(K×M)枚の干渉画像を順次番号が解るように計算機に取り込み、kが1からKまでのそれぞれについてその番号が{(m-1)K+k}の関係式で表されるmが1からMまでの干渉画像をグループ化することによってK系列の干渉画像群に分類し、該K系列の干渉画像群の任意の2系列を前記第1の干渉画像群および第2の干渉画像群とした請求項3記載の干渉計測装置。

【請求項10】
 
可干渉ビームがレーザ光であり、干渉計が三角形の断面形状もしくは波面分割境界を境界として三角形を組み合わせた断面形状を有する柱状プリズムであり、レンズ系が光学レンズ系である請求項1記載の干渉計測装置。

【請求項11】
 
可干渉ビームが電子線であり、干渉計が電子線複プリズムであり、レンズ系が電子レンズ系である請求項1記載の干渉計測装置。

【請求項12】
 
可干渉ビーム発生源と、被計測試料と、被計測試料像を観察面上に形成するレンズ系と、可干渉ビームを2系統に分割し観察面もしくはそれと等価な面上に物体波と参照波による干渉画像を形成する干渉素子と、観察面上の干渉画像を撮像する撮像素子と、該撮像素子により電気信号に変換された干渉画像を取り込み記憶しかつその干渉画像から被計測試料によって変化した位相分布を計算によって求める機能を有する計算装置と、前記観察面において前記物体波と前記参照波の相対的な位置関係をずらす機構を有し、
前記計算装置は、前記物体波と前記参照波の位相関係を1波長のM(M:3以上の正数)分の1ずつ変化させながら取り込んだM枚以上の干渉画像から、位相関係が2πn/M(n:1以上の正数)ずつずれた3枚以上の干渉画像からなる第1の干渉画像群と、該第1の干渉画像群の1枚目とは初期位相状態の異なる干渉画像を初めの1枚とし以後それとは位相関係が2πn/M(n:1以上の正数)ずつずれた3枚以上の干渉画像からなる第2の干渉画像群とを選び、それぞれの干渉画像群から第1および第2の位相分布を求め、前記両干渉画像群それぞれの第1枚目の初期位相の差を補正した後前記第1および第2の位相分布の差である位相分布の微分画像を求め、該位相分布の微分画像を積分することによって前記干渉素子に起因する位相分布もしくは前記被計測試料に起因する位相分布もしくはその両者を求める機能を有することを特徴とする干渉計測装置。

【請求項13】
 
前記試料像と干渉像の相対的な位置関係のずれを生じせしめる機構が、前記試料を照射する可干渉ビームの傾きを変えるものである請求項12記載の干渉計測装置。

【請求項14】
 
前記試料像と干渉像の相対的な位置関係のずれを生じせしめる機構が、前記試料を照射する可干渉ビームの傾きを変えるものである請求項12記載の干渉計測装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2001572826thum.jpg
State of application right Registered
Reference ( R and D project ) CREST Phenomena of Extreme Conditions AREA
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