(57)【要約】  第１及び第２の異なる波長の光源からの光が合成され、導波器に供給され、導波器は、０次光を基準表面に誘導し、他の次数、一般的に１次の回折光を、波長に依存するサンプル表面の１つの場所に誘導する。サンプル表面及び基準表面によって反射される光が干渉する。サンプル表面の特性が第１の波長の干渉光から求められる。基準表面を動かすか、又は経路部分の屈折率を変更することによって経路長差を調整し、環境の影響に起因する位相変動を補償することによって、第２の波長の干渉光を用いて、位相同期することができるようにする。異なる波長の場合に異なる１次回折角を与える可変波長源及び導波器、又は可変ピッチ音波回折格子を提供する音響光学デバイスを用いることによって、非機械的な走査を用いてサンプル表面が走査される。
2009540321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル表面の特性を測定するための表面特性測定装置であって、
複数の第１の波長のうちの１つの波長の光を与える第１の光源と、
第２の波長の光を与える第２の光源と、
前記第１の光源及び前記第２の光源からの光を合成して、合成光を生成する合成器と、
前記サンプル表面によって反射される光及び基準表面によって反射される光が干渉して干渉光を与えるように、１次回折光が波長に依存する前記サンプル表面の１つの場所に入射するように誘導され、０次光が前記基準表面上に入射するように前記合成光を回折させる導波器と、
前記第１の波長の干渉光を検出する第１の検出器と、
前記第２の波長の干渉光を検出する第２の検出器と、
前記第２の検出器によって検出される干渉光に基づいて前記基準表面及び前記サンプル表面の相対的な場所を制御し、環境の影響に起因する位相変動を補償する経路コントローラと、
前記第１の検出器によって検出される干渉光に基づいてサンプル表面の特性を測定する特性測定器と、
種々のサンプル表面場所のための表面特性を測定することができるようにするように、前記第１の光源の波長を変更して、該第１の光源からの光が入射する前記サンプル表面の場所を変更する光源コントローラと、
を備える、サンプル表面の特性を測定するための表面特性測定装置。
【請求項２】
前記導波器は位相格子を含む請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記経路コントローラは圧電コントローラを含む請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
サンプル表面の特性を測定するための表面特性測定装置であって、
複数の第１の波長のうちの１つの波長の光を与える第１の光源と、
第２の波長の光を与える第２の光源と、
前記第１の光源及び前記第２の光源からの光を合成して合成光を生成する合成器と、
前記サンプル表面によって反射される光及び基準表面によって反射される光が干渉して干渉光を与えるように、前記合成光を基準経路に沿って前記基準表面に向かって、且つ測定経路に沿って前記サンプル表面に向かって誘導する導波器と、
前記第１の波長の干渉光を検出する第１の検出器と、
前記第２の波長の干渉光を検出する第２の検出器と、
前記第２の検出器によって検出される干渉光に基づいて前記基準経路及び前記測定経路の相対的な長さを制御する電気光学変調器と、
前記第１の検出器によって検出される干渉光に基づいて、前記サンプル表面の特性を測定する特性測定器と、
種々のサンプル表面場所のための表面特性を測定することができるようにするように、前記第１の光源の波長を変更して、該第１の光源からの光が入射する前記サンプル表面の場所を変更する光源コントローラと、
を備える、サンプル表面の特性を測定するための表面特性測定装置。
【請求項５】
サンプル表面の特性を測定するための表面特性測定装置であって、
第１の波長の光を与える第１の光源と、
前記サンプル表面によって反射される光及び基準表面によって反射される光が干渉して干渉光を与えるように、前記光を基準経路に沿って前記基準表面に向かって、且つ測定経路に沿って前記サンプル表面に向かって誘導する導波器と、
前記第１の波長の干渉光を検出する第１の検出器と、
前記第１の検出器によって検出される干渉光に基づいて、前記サンプル表面の特性を測定する特性測定器と、
を備え、前記測定経路は、前記第１の光源からの光が入射する前記サンプル表面の場所を制御し、種々のサンプル表面場所のための表面特性を測定することができるようにする音響光学素子を含む、サンプル表面の特性を測定するための表面特性測定装置。
【請求項６】
前記音響光学素子は、制御可能なピッチを有する音波回折格子を提供し、前記測定経路上の光を前記音波回折格子のピッチによって決定される前記サンプル表面の場所に回折させるように構成される請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記音響光学素子は、加えられる信号の周波数によって制御されるピッチを有する音波回折格子を提供するように構成され、該音波回折格子は、前記測定経路上の光を該音波回折格子のピッチによって決定される前記サンプル表面の場所に回折させるように配置される請求項５に記載の装置。
【請求項８】
第２の波長の光を与える第２の光源と、
前記第１の光源及び前記第２の光源からの光を合成して、合成光を生成する合成器であって、前記導波器が前記合成光を前記基準経路及びサンプル経路に沿って前記第２の波長の干渉光を検出する第２の検出器に誘導するようにする、合成器と、
前記第２の検出器によって検出される干渉光に基づいて、前記基準経路及び前記測定経路の相対的な長さを制御する経路長コントローラと、
をさらに備える請求項５、６、又は７に記載の装置。
【請求項９】
前記導波器は光結合器を含む請求項４又は８に記載の装置。
【請求項１０】
前記合成器は光結合器を含む請求項１〜４、８、又は９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記合成器から前記導波器に向かって前記合成光を供給すると共に、前記第１の検出器及び前記第２の検出器に前記干渉光を供給するように、少なくとも１つの光サーキュレータが設けられる請求項１〜４、８、９、又は１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１の検出器及び前記第２の検出器のうちの少なくとも一方は、前記第１の波長又は前記第２の波長の光だけが、該第１の検出器及び該第２の検出器のうちの少なくとも一方の検出器上に入射することができるようにするようにフィルタを設けられる請求項１〜４、８、９、１０、又は１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記合成光を前記導波器に向かって供給すると共に、前記干渉光を前記第１の検出器及び前記第２の検出器に供給するように第１の光サーキュレータ及び第２の光サーキュレータが設けられ、該第１の光サーキュレータは前記合成光を受光する第１のポートと、前記合成光を前記導波器に供給する第２のポートと、前記干渉光を該第２のサーキュレータの第１のポートに供給する第３のポートとを有し、前記第２の光サーキュレータは、前記干渉光を、前記第１の波長及び前記第２の波長のうちの一方の光を反射する反射器を介して、前記第１の検出器及び前記第２の検出器のうちの一方に供給する第２のポートと、前記第１の検出器及び前記第２の検出器のうちの他方に、前記反射器によって反射される光を供給する第３のポートとを有する請求項１〜４、８、又は９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
前記反射器はファイバブラッグ格子を含む請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記導波器は、前記装置の他の光学部品から分離することができる光プローブとして設けられる請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
前記導波器は、前記光プローブを遠隔して配置することができるようにする光ファイバによって前記他の光学部品に結合される請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
複数の光プローブを前記装置に結合することができるようにする光スイッチが設けられる請求項１５又は１６に記載の装置。
【請求項１８】
複数の光プローブを前記装置に結合することができるようにするファイバスイッチが設けられる請求項１５又は１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記装置は、前記第１の光源及び前記第２の光源をそれぞれ有すると共に、該第１の光源及び該第２の光源の測定経路及び基準経路の少なくとも一部を共有する２つの干渉計として構成される請求項１〜１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２０】
前記２つの干渉計はファイバ干渉計を含む請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記２つの干渉計はマイケルソン干渉計を含む請求項１９又は２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記特性測定器は、位相シフト干渉計を用いて、複数の異なる位相位置において前記第１の検出器によって検出される干渉光に基づいて、前記サンプル表面の特性を測定するように動作することができる請求項１〜２１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２３】
前記装置の光学系の少なくとも一部が単一のデバイスとして集積される請求項１〜２２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２４】
前記他の光学部品が単一のデバイスとして集積される請求項１５〜１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２５】
前記光プローブは、前記単一の集積デバイスの導波路チャネルに取り付けられる請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記集積デバイスはシリカ・オン・シリコン集積デバイスを含む請求項２３〜２５のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は表面特性測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高さ、形状、波打ち及び粗さのような表面特性を測定することは、数多くの技術分野において、特にマイクロスケール及びナノスケールの製造工程における品質管理及び解析にとって重要である。表面特性を測定するのに用いられる技法は、旋回可能なスタイラス、又は軸方向に移動可能なスタイラスを、特徴付けられることになる表面に沿ってスタイラスと表面との間で相対的に動かしながら、変換器を用いてスタイラスの変位を求めるような接触技法、及び光学的技法のような非接触技法に分かれ、非接触技法の例は、非特許文献１の第１４章において検討されているように、干渉計の基準位相が変更されるのに応じて、一連のインターフェログラムが記録され、その後、位相抽出アルゴリズムを用いて、実際の位相が求められる（その位相は、相対的な表面高に関連する）位相シフト干渉法、又は、空間的にインコヒーレントな光源で生成される干渉縞の振幅が、サンプル表面と基準表面との間の経路差がない走査経路に沿った位置において最大値に達し、その後、急激に減少するという事実を巧みに利用して、サンプル表面の異なる表面要素又は表面ピクセルの場合にコヒーレンスピークの走査経路に沿った位置を求めることによって、表面高プロファイルを求めることができるようにする、白色光又は広帯域走査干渉法のような干渉技法がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Daniel Malacara著「Optical Shop Testing」第２版（ISBN 0-471-52232-5）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の一態様は、位相同期によって環境の影響を補償することができるようにし、且つ非機械的な走査によって、種々の表面場所の表面特性を測定することができるようにする、干渉計を利用する表面特性測定装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様では、第１及び第２の異なる波長の光源からの光が合成され、導波器に供給され、導波器は、０次の光を基準表面に誘導し、他の次数、一般的には１次の回折光を、波長に依存するサンプル表面の場所に誘導する。サンプル表面及び基準表面によって反射される光が干渉する。基準表面を動かすか、又は経路部分の屈折率を変更することによって経路長差を調整して、環境の影響に起因する位相変動を補償することによって、位相同期を可能にするために、第２の波長の干渉光が用いられる。可変波長源と、異なる波長に対して異なる１次回折角を与える導波器、又は可変ピッチ音波回折格子を提供する音響光学デバイスとを用いることによって、非機械的な走査を用いて、サンプル表面が走査される。
【０００６】
本発明の一態様は、サンプル表面の特性を測定するための表面特性測定装置であって、当該装置は、
複数の第１の波長のうちの１つの波長の光を与える第１の光源と、
第２の波長の光を与える第２の光源と、
第１の光源及び第２の光源からの光を合成して、合成光を生成する合成器と、
サンプル表面によって反射される光及び基準表面によって反射される光が干渉して干渉光を与えるように、１次回折光が、波長に依存するサンプルの表面の１つの場所に入射するように誘導され、０次光が、基準表面上に入射するように合成光を回折させる導波器と、
第１の波長の干渉光を検出する第１の検出器と、
第２の波長の干渉光を検出する第２の検出器と、
第２の検出器によって検出される干渉光に基づいて、基準表面とサンプル表面の相対的な場所を制御し、環境の影響に起因する位相変動を補償する経路コントローラと、
第１の検出器によって検出される干渉光に基づいて、サンプル表面の特性を測定する特性測定器と、
種々のサンプル表面場所に対して表面特性を測定することができるようにするように、第１の光源の波長を変更して、第１の光源からの光が入射するサンプル表面の場所を変更する光源コントローラと、
を備える、装置を提供する。
【０００７】
導波器は、位相格子を含むことが好ましいが、振幅格子を用いることもできる。一実施の形態では、経路コントローラは、基準表面を動かすことができる圧電コントローラを含む。
【０００８】
本発明の一態様は、サンプル表面の特性を測定するための表面特性測定装置であって、
複数の第１の波長のうちの１つの波長の光を与える第１の光源と、
第２の波長の光を与える第２の光源と、
第１の光源及び第２の光源からの光を合成して、合成光を生成する合成器と、
サンプル表面によって反射される光及び基準表面によって反射される光が干渉して干渉光を与えるように、合成光を基準経路に沿って基準表面に向かって、且つ測定経路に沿ってサンプル表面に向かって誘導する導波器と、
第１の波長の干渉光を検出する第１の検出器と、
第２の波長の干渉光を検出する第２の検出器と、
第２の検出器によって検出される干渉光に基づいて、基準経路及び測定経路の相対的な長さを制御し、環境の影響に起因する位相変動を補償する電気光学変調器と、
第１の検出器によって検出される干渉光に基づいて、サンプル表面の特性を測定する特性測定器と、
種々のサンプル表面場所に対して表面特性を測定することができるようにするように、第１の光源の波長を変更して、第１の光源からの光が入射するサンプル表面の場所を変更する光源コントローラと、
を備える、装置を提供する。
【０００９】
本発明のさらなる態様は、サンプル表面の特性を測定するための表面特性測定装置であって、
第１の波長の光を与える第１の光源と、
サンプル表面によって反射される光及び基準表面によって反射される光が干渉して干渉光を与えるように、光を基準経路に沿って基準表面に向かって、且つ測定経路に沿ってサンプル表面に向かって誘導する導波器と、
第１の波長の干渉光を検出する第１の検出器と、
第１の検出器によって検出される干渉光に基づいて、サンプル表面の特性を測定する特性測定器と、
を備え、測定経路は、種々のサンプル表面場所のための表面特性を測定することができるようにするように、第１の光源からの光が入射するサンプル表面の場所を制御する音響光学素子を含む、装置を提供する。
【００１０】
このさらなる態様の一実施の形態では、当該装置は、
第２の波長の光を与える第２の光源と、
第１の光源及び第２の光源からの光を合成して、合成光を生成する合成器であって、導波器が、合成光を基準経路及びサンプル経路に沿って、第２の波長の干渉光を検出する第２の検出器に誘導するようにする、合成器と、
第２の検出器によって検出される干渉光に基づいて、基準経路及び測定経路の相対的な長さを制御する経路長コントローラと、
をさらに備える。
【００１１】
基準表面はミラーとすることができるが、ブラッグ格子、たとえば、ファイバブラッグ格子とすることもできる。
【００１２】
一実施の形態では、音響光学素子は、測定経路上の光を音波回折格子のピッチによって決定されるサンプル表面の場所に回折させるために、制御可能なピッチを有する音波回折格子を提供するように構成される。
【００１３】
一実施の形態では、音響光学素子は、加えられる信号の周波数によって制御されるピッチを有する音波回折格子を提供するように構成され、音波回折格子は、測定経路上の光を、音波回折格子のピッチによって決定されるサンプル表面の場所に回折させるように配置される。
【００１４】
導波器は光結合器を含むことができる。合成器は光結合器を含むことができる。
【００１５】
一実施の形態では、合成器からの合成光を導波器に向かって供給し、且つ干渉光を第１の検出器及び第２の検出器に供給するように少なくとも１つの光サーキュレータが設けられる。
【００１６】
一実施の形態では、第１の検出器及び第２の検出器のうちの少なくとも一方がフィルタ、たとえば、ファイバブラッグ格子のようなブラッグ格子を設けられ、第１の波長又は第２の波長の光だけが、その検出器上に入射することができるようにする。
【００１７】
一実施の形態では、合成光を導波器に向かって供給するように、且つ干渉光を第１の検出器及び第２の検出器に供給するように、第１の光サーキュレータ及び第２の光サーキュレータが設けられ、第１の光サーキュレータは、合成光を受光する第１のポートと、合成光を導波器に供給する第２のポートと、干渉光を第２の光サーキュレータの第１のポートに供給する第３のポートとを有し、第２の光サーキュレータは、第１の波長及び第２の波長のうちの一方の波長の光を反射する反射器を介して、干渉光を第１の検出器及び第２の検出器のうちの一方に供給する第２のポートと、反射器によって反射される光を第１の検出器及び第２の検出器のうちの他方に供給する第３のポートとを有する。反射器は、ファイバブラッグ格子のようなブラッグ格子を含む。
【００１８】
導波器は、装置の他の光学部品から分離することができる光プローブとして設けられることができる。導波器は、光プローブを遠隔して配置することができるようにする光ファイバ結合によって、他の光学部品に接続されることができる。複数の光プローブを装置に接続することができるようにするように、ファイバスイッチのような光スイッチが設けられることができる。
【００１９】
一実施の形態では、光プローブとは別の光学系が、単一の集積デバイスとして設けられる。光プローブも単一の集積デバイスとして設けられることができる。一例では、集積はシリカ・オン・シリコン技術を用いて実現される。
【００２０】
一実施の形態では、装置は、それぞれ第１の光源及び第２の光源を有すると共に、その測定経路及び基準経路のうちの少なくとも一部を共有する２つの干渉計として構成される。その２つの干渉計は、ファイバ干渉計を含むことができる。２つの干渉計はマイケルソン干渉計を含むことができる。
【００２１】
一実施の形態では、特性測定器は、位相シフト干渉計を用いて、複数の異なる位相位置において第１の検出器によって検出される干渉光に基づいて、サンプル表面の特性を測定するように動作することができる。
【００２２】
本発明の複数の態様が、装置を使用する方法を含む。
【００２３】
本明細書において用いられる場合、「光」は必ずしも可視光を意味しない。その光は、たとえば、赤外光及び紫外光とすることができる。本明細書において用いられる場合、「ビーム」は必ずしも連続ビームを意味するのではなく、パルスビーム、又は振幅が変化するビームとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明を具現化する、ファイバ干渉計装置を含む表面特性測定装置の一例の機能図である。
【図２】本発明を具現化する、ファイバ干渉計装置を含む表面特性測定装置の形をとる計測機器の一例を示す簡略化した側面図である。
【図３】本発明を具現化する表面特性測定装置の信号処理及び制御回路を設けるために、コンピュータプログラム命令によってプログラムすることができる処理装置のブロック図である。
【図４】本発明を具現化する、ファイバ干渉計装置を含む表面特性測定装置の別の例の機能図である。
【図５】本発明を具現化する、ファイバ干渉計装置を含む表面特性測定装置の別の例の機能図である。
【図６】本発明を具現化する、ファイバ干渉計装置を含む表面特性測定装置の別の例の機能図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
ここで、本発明の複数の実施形態が、添付の図面を参照しながら、一例として説明される。
【００２６】
図面を全体として参照するときに、いずれの機能ブロック図も、デバイス内に存在する機能を示すことだけを意図しており、その機能ブロック図内に示される各ブロックが必ずしも別個の、又は離れている実体であることを意味するように解釈されるべきでないことを理解されたい。１つのブロックによって提供される機能は、別個の部分から成ることがあるか、又はデバイス全体の中に、若しくはデバイスの一部の中に分散されることがある。さらに、その機能は、必要に応じて、ハードワイヤード要素、ソフトウエア要素若しくはファームウエア要素、又はこれらの任意の組み合わせを組み込むことができる。
【００２７】
ここで、図１を具体的に参照すると、マイケルソンファイバ干渉計を備える表面特性測定装置１００の一例の機能図が示される。
【００２８】
その表面特性測定装置１００は、光プローブ１又は測定ヘッドと、光学系２と、信号処理及び制御回路３とを備える。
【００２９】
光学系２は、λ１、λ２〜λｎまで同調可能な可変波長測定ビーム（波長λｍに同調しているように示される）を光ファイバ経路Ｌ１に与えるチューナブルレーザ４と、単一の波長λ０の基準ビームを光ファイバ経路Ｌ２に与える基準レーザダイオード４０とを有する。典型的には、基準レーザダイオード４０が波長１５５０ｎｍ（ナノメートル）の基準ビームを与えることができるときに、チューナブルレーザ４は、１５６０ｎｍ（ナノメートル）の波長〜１６２０ｎｍの波長まで同調することができる。
【００３０】
光ファイバ経路Ｌ２は、チューナブルレーザ４及び単一波長レーザダイオード４０からの光ビームを合成するために、２×２チャネル光結合器、たとえば３ｄＢ光結合器が用いられることがある光結合器５によって、光ファイバ経路Ｌ１に結合される。光ファイバ経路Ｌ１は第１の３ポート光サーキュレータ６の第１のポートＣ１に結合され、その光サーキュレータの第２のポートＣ２は、光ファイバ経路Ｌ３に結合されており、光プローブ１に合成ビームを供給する。そのサーキュレータは、Ｔｈｏｒｌａｂｓ  ６０１５−３−ＦＣサーキュレータ又は同様のデバイスとすることができる。サーキュレータ６は、図示される方向においてポートからポートに光を循環させる（すなわち、Ｃ１からＣ２に、さらにＣ２からＣ３に循環させるが、Ｃ２からＣ１に光が戻ることができないようにする）役割を果たし、光がチューナブルレーザ４及びレーザダイオード４０に戻るのを防ぐ。この例、及び以下の例における光ファイバ経路は、シングルモード光ファイバによって与えられる。
【００３１】
ファイバ干渉計で生じることがある、起こり得る偏光フェージング問題に対処するために、結合器５とサーキュレータ６との間に偏光スクランブラ７、たとえば、オールファイバ偏光スクランブラを設けて、光の偏光状態を変調することができる。
【００３２】
測定ヘッド又は光プローブ１は、光ファイバ経路Ｌ３からの光をコリメートして位相格子９の形をとる分散素子上に照射するために、分布屈折率レンズ（ＧＲＩＮ）８の形をとるコリメータを含み、位相格子９から、異なる回折次数が異なる角度で回折し、０次を除く全ての次数の実際の回折角は波長に依存する。
【００３３】
位相格子９は、位相格子上の回折点が光プローブの焦点距離ｆの対物レンズ９０の後方焦点面内にあるように配置される。対物レンズ９０は、チューナブルレーザ４の波長範囲全体を通じて位相格子９から１次回折光ビームを受光するだけの十分な受光角を有する。チューナブルレーザ４を通じてその波長は動作中に掃引又は走査されることを意図されており、その波長範囲は、チューナブルレーザの全範囲の一部であることができる。
【００３４】
サンプル１０は、サンプル表面１０’の平均表面１０ａが対物レンズ９０の焦点面内にあり、それによって共焦点系を提供するように、サンプル支持ステージ１１上に取り付けられる。サンプル表面１０’では、対物レンズからの光が平均サンプル表面に法線入射し、サンプル表面から逆反射されるようになる。一例として、図１は、基準ビーム（波長λ０）、及びチューナブルレーザ４が同調することができる種々の異なる取り得る波長λ１〜λｎがサンプル表面１０’上に入射する場所を図示する。
【００３５】
基準ミラー１２は、位相格子９からの０次の回折ビームを受光するように位置付けられる。
【００３６】
サーキュレータ６の第３のポートＣ３は、第２のサーキュレータ６０の第１のポートＤ１に結合され、その第２のポートＤ２はファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）６１を介して結合されており、ファイバブラッグ格子は、チューナブルレーザからの測定ビーム波長λｍを第１の光検出器６２に送り、基準ビーム波長λ０を反射して、第２の光検出器６３に結合される第３のポートＤ３に戻す。光検出器は、たとえば、ＰＩＮフォトダイオード、又は他の適切な感光性半導体デバイスとすることができる。
【００３７】
基準ミラー１２は圧電素子１３の上に取り付けられており、圧電素子１３は信号処理及び制御回路３のＰＺＴサーボコントローラ１５によって制御される。ＰＺＴサーボコントローラ１５は、第２の光検出器６３の出力に従って基準ミラー１２の位置を調整することができるようにするために、第２の光検出器６３の出力信号を受信するように結合される。
【００３８】
サンプル支持ステージ１１は、Ｘ軸並進機構１６ｘ、Ｙ軸並進機構１６ｙ及びＺ軸並進機構１６ｚによって移動可能であり、サンプル表面を水平にし、サンプル支持体を対物レンズの焦点に位置付けすることができるようにする。Ｘ並進機構及びＹ並進機構のうちの少なくとも一方を用いて、表面の測定経路にわたる表面高プロファイルが得られるようにすることができる。
【００３９】
また、ＰＺＴコントローラ１５は、信号処理及び制御回路３の制御下で、基準ミラーの位相ステッピングを引き起こすように構成され、以下に説明されるように、位相シフト干渉過程を実行して、実際の位相を抽出することができるようにする。
【００４０】
図１に示されるように、信号処理及び制御回路３は、信号処理及び制御回路３の全般的な動作を制御する汎用コントローラ１７と、既知の位相抽出アルゴリズムを用いて、多数の位相ステッピング測定値から１つの位相（それゆえ、表面高）を求める位相特性測定器１８と、レーザの動作を制御する、たとえば、チューナブルレーザ４の波長同調を制御する１つ又は複数のレーザコントローラ２０と、ユーザが装置とのインタフェースを構成し、その装置の動作を制御し、その動作の結果を視認することができるようにするユーザインタフェース２１とを有する。
【００４１】
信号処理及び制御回路３は、サンプル表面にわたって１つ又は複数の測定経路に沿って位相特性測定器１８によって求められるデータを処理し、２Ｄ表面プロファイル又は３Ｄ表面高マップを作成することができるようにする表面データプロセッサ１８０を有することがある。
【００４２】
Ｘ軸並進機構１６ｘ、Ｙ軸並進機構１６ｙ及びＺ軸並進機構１６ｚが設けられる場合、信号処理及び制御回路３は、対応するＸ軸並進機構コントローラ２２ｘ、Ｙ軸並進機構コントローラ２２ｙ、及びＺ軸並進機構コントローラ２２ｚも有することになり、それは開ループサーボコントローラ又は閉ループサーボコントローラにすることができる。
【００４３】
したがって、図１に示される表面特性測定装置１００は、概して、共通の光路を共有する２つのマイケルソンファイバ干渉計を提供する。第１の、すなわち測定ファイバ干渉計はチューナブルレーザ４を含む。第２の、すなわち基準マイケルソンファイバ干渉計は、基準レーザダイオード４０を含み、第２の光検出器６３の出力信号に従って基準ミラーを調整することによって、チューナブルレーザ４の出力を位相同期し、温度変化、空気流又は乱流、機械的振動等のような環境の影響に起因する位相／経路長の変動を補償するための役割を果たす。それゆえ、基準マイケルソンファイバ干渉計は、不都合な環境的摂動が存在する場合であっても、高い精度を達成することができるようにするために、表面特性装置を監視及び制御するための役割を果たす。
【００４４】
光分散プローブ１は、光ファイバ結合のおかげで、装置の他の部分から離隔して配置することができ、それは、測定されることになる表面に近づくことが制限されるか、又は困難である場合に利点を有することがある。
【００４５】
表面特性測定装置１００の動作中に、レーザダイオード４０からの光が、チューナブルレーザ４からの光と結合され、光サーキュレータ５（そして存在するなら、偏光スクランブラ７）及び光ファイバ経路Ｌ３を介して光プローブに供給され、その光は、分布屈折率レンズ８（ＧＲＩＮ）によってコリメートされる。コリメートされた光は光プローブ２内の位相格子９に進む。１次回折ビームは、測定経路ＭＰ上に測定ビームを与え、測定されることになる表面１０’上に合焦され、そこから逆反射される。０次ビームは、基準経路ＲＰ上に基準ビームを与え、基準ミラー１２によって反射される。測定経路ＭＰ及び基準経路ＲＰにそって反射される光は、位相格子９において干渉し、結果として生成された干渉ビームがＧＲＩＮレンズ８を介してサーキュレータ６に供給され、サーキュレータ５の次の（戻り経路上の第３の）ポートＣ３から出て、サーキュレータ６０の第１のポート１に供給される。干渉ビームは循環し、サーキュレータ６０の第２のポートＤ２からファイバブラッグ格子６１に出力され、ファイバブラッグ格子６１は、基準波長λ０を除く全ての光を検出器６２に送り、検出器６２は出力測定信号を与える。ファイバブラッグ格子６１は、基準波長光λ０を反射してサーキュレータ６０に戻し、サーキュレータ６０は、基準波長光λ０を検出器６３に出力し、検出器６３は、位相同期出力信号をＰＺＴコントローラに与え、ＰＺＴコントローラは、検出器６３からの位相同期信号に従ってＰＺＴ１３を制御して基準ミラー１２を動かして、上記のような、温度変化、空気流又は乱流、機械的振動等のような環境の影響に起因する位相／経路長の変化を補償する。こうして、ＰＺＴ１３は、基準ミラー１２の位置を制御し、そのような環境の影響を補償することによって、位相同期を提供する。基準干渉計及び測定干渉計が、１次回折ビーム間がわずかに離れることを除いて、光路の大部分を共有するため、これは、大部分の環境雑音を排除するはずである。
【００４６】
サンプル表面１０’の表面トポグラフィが、反射した光の位相を変調する。干渉計によって与えられる出力又は測定信号Ｉ（ｘ）は、以下の数１のようになる。
【００４７】
【数１】
2009540321.tif 000003
【００４８】
ただし、Ａ（ｘ）及びＢ（ｘ）はそれぞれ、走査経路に沿った点ｘにおけるバイアス強度及び干渉縞鮮明度であり、ｈ（ｘ）は、干渉計アーム間の平均光路差ｌを中心にしたサンプル表面の点ｘにおける高さ変動である。２つのアーム間の全光路差ｌが０に設定される場合には、式（１）内の角括弧内の位相項φ（ｘ）を簡単にすることができ、それゆえ、以下の数２が与えられる。
【００４９】
【数２】
2009540321.tif 000004
【００５０】
チューナブルレーザ４が同調可能であることによって、この例では、Ｘ方向にサンプル表面１０’を走査することができるようになる。チューナブルレーザ４の波長変化は、位相格子９上の１次回折角変化を引き起こし、結果として、１次回折ビームが空間的に走査され、一方、０次回折ビームは同じ位置にとどまる。
【００５１】
サンプルにわたる走査範囲Ｓは以下の数３のように与えられる。
【００５２】
【数３】
2009540321.tif 000005
【００５３】
ただし、ｆは対物レンズの焦点距離であり、ｄは位相格子９のピッチであり、Δλは波長走査の範囲である。
【００５４】
こうして、チューナブルレーザ４の出力波長を変更又は掃引することによって、位相格子８によって回折する１次レーザビームの回折角が変化し、１次レーザビームがサンプル表面の異なる部分に入射するようになり、それによって、光ビームが、対物レンズを介して、サンプル表面を走査するようになる。汎用コントローラ１７は、波長の掃引、それゆえサンプル表面１０’上の入射点の掃引を制御し、それによって、サンプル表面１０’上の種々の点において測定を実施することができるようにし、機械的な走査を実行する必要はない。汎用コントローラ１７は、表面特性を測定するために、位相特性測定器１８が検出器６２からの測定信号を使用するタイミング（又は検出器６２が測定を行なうために起動されるタイミング）も制御する。こうして、チューナブルレーザ４の掃引の終了時に、位相特性測定器１８は、波長走査中の種々の波長のための、それゆえ種々の表面場所のための測定信号を格納しているであろう。
【００５５】
この例では、位相特性測定器１８は、位相シフト干渉（ＰＳＩ）技法を用いて、検出器６によって出力された測定信号から実際の位相を抽出する。それに応じて、ＰＺＴコントローラが測定値間の位相αに対応する距離だけ基準ミラー１２を動かし、それによって、干渉アームの光路差をわずかに変更することによって、汎用コントローラ１７が、多数の異なる位相間隔の場合に波長掃引が繰り返されるようにし、それによって、基準ミラー１２の種々の位置、それゆえ種々の位相において１組の測定信号が得られるようになる。こうして、この位相シフト手順の終了時に、位相特性測定器は、測定信号が位相特性測定器によって格納された波長走査中に、波長（それゆれ、表面場所）毎に１組の位相ステップ測定値を有するであろう。
【００５６】
位相特性測定器１８は、たとえば上記の非特許文献１の第１４章において検討されているような任意の適切な位相抽出アルゴリズムを用いることができる。一例では、位相特性測定器１８は、カレ（Carre）位相抽出アルゴリズムを実施し、それに応じて、汎用コントローラ１７によって、基準ミラー１２の４つの位相位置−３α、−α、α及び３αにおいて測定が行なわれ、位相特性測定器１８は、測定信号が位相特性測定器によって格納された波長走査中の波長（それゆえ、表面場所）毎に、カレアルゴリズムを用いて、Ｉ１（ｘ）、Ｉ２（ｘ）、Ｉ３（ｘ）及びＩ４（ｘ）の場合の４つの連立方程式を解いて、元の位相値を求めるように構成される。
【００５７】
【数４】
2009540321.tif 000006
【００５８】
汎用コントローラ１７は、この例では、Ｙ並進機構１６ｙを制御して、測定ヘッドに対してサンプルを動かすことができ、Ｙ軸に平行な方向において表面測定経路上の多数の位置で測定を行なうことができるようにする。その後、これらの測定値は表面データプロセッサ１９によって処理され（これは、既知の位相接続技法を実施することができる（たとえば、上記の非特許文献１のページ５１４及び５５１を参照されたい））、その表面測定経路に沿った表面高プロファイルを与えることができ、ユーザはそれを表示又は印刷することができる。
【００５９】
こうして、上記のような位相シフト技法を用いて、波長走査中に各波長又は選択された波長において、対応する表面場所のための位相又は表面高を抽出することができる。この例では、Ｙ並進機構が存在する場合には、Ｙ並進機構を制御して、ｙ軸に対して平行であり、且つその表面場所を通過する線に沿ったプロファイルを求めることができるようになる。こうして、一方向（この例ではＹ方向）においてのみ機械的に走査して、多数の平行なプロファイルを得ることができる。
【００６０】
上記のように、この装置は、サンプル支持ステージ上にサンプルを支持することができる。別の可能性として、光プローブをガントリ又は同じような支持体によって支持することができ、それによって、平均サンプル表面が対物レンズの光軸に対して垂直であり、且つ対物レンズの焦点面内に存在するようにして、光プローブがサンプル表面上に懸吊されるように、又はサンプル表面に向かって上方に突出するようにすることができる。光プローブガントリ又は支持体は、Ｘ、Ｙ及びＺ方向に並進することができるようにしても、しなくてもよい。
【００６１】
図２は、計測機器の一例の簡略化した側面図を示しており、サンプルがサンプル支持体上に取り付けられることになる。図２に概略的に示されるように、この例では、測定ヘッド１はハウジング１ａ内に配置され、ハウジング１ａは、キャリッジ１ｂを介して、Ｚ軸基準支柱１ｃに取り付けられる。表面特性測定装置がＺ並進機構を有する場合、キャリッジ１ｂは、ボールねじ駆動機構又は親ねじ駆動機構のような駆動機構（図示せず）を介して、Ｚ並進機構１６ｚに結合することができる。Ｚ並進機構１６ｚは、手動で操作可能なコントロールの形をとるか、又は、たとえば、キャリッジ１ｂ、それゆえ測定ヘッド１を、Ｚ方向において支柱１ｃに沿って上下に動かすことができるようにするＤＣモータの形をとることができる。
【００６２】
光学系２は、光ファイバ経路（図２では１ｄによって図示される）を介して、別個のハウジング１ｅ内に設けることができ、図２に示されるように、そのハウジングは、作業面ＷＳ上に取り付けることができるか、又は測定ヘッド１からさらに離隔して配置することができる。信号処理及び制御回路３は、光学系の近くにあっても、光学系から離れていてもよく、単一の実体を構成しても、しなくてもよい。
【００６３】
Ｘ並進機構１６ｘ及びＹ並進機構１６ｙが存在する場合には、その際、図２に示されるように、それらの並進機構は、サンプル支持ステージ１１内に収容することができる。Ｘ並進機構１６ｘ及びＹ並進機構１６ｙは、この例では、ラック・アンド・ピニオン又はボールねじ駆動機構（図示せず）のような適切な従来の駆動機構によって、サンプル支持ステージ１１に結合されるＤＣモータであることができる。
【００６４】
信号処理及び制御回路３は、コンピューティング装置、たとえば、パーソナルコンピュータをプログラムすることによって少なくとも部分的に実現することができる。こうして、特定のシステム要件に応じて、信号処理及び制御回路のいくつかの構成要素をソフトウエアによって、いくつかをハードウエアによって、いくつかをファームウエアによって等で、設けることができる。高速の処理が要求される場合には、１つ又は複数のＤＳＰが用いられることがある。
【００６５】
図３は、そのようなコンピューティング装置の簡略化されたブロック図を示す。図に示されるように、そのコンピューティング装置は、プロセッサ２５を有し、そのプロセッサには、メモリ２６（ＲＯＭ及び／又はＲＡＭ）と、ハードディスクドライブのような大容量記憶装置２７と、フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等のような取出し可能な媒体（ＲＭ）を収容するための取出し可能媒体ドライブ（ＲＭＤ）２８と、たとえば、汎用インタフェースバス（ＧＰＩＢ）カード２３０の形をとると共に、レーザコントローラ、ＰＺＴコントローラ、及び存在するならＸ並進コントローラ、Ｙ並進コントローラ、Ｚ並進コントローラのような構成要素とインタフェースするための入力及び出力（Ｉ／Ｏ）制御回路とが関連付けられ、プロセッサ２５がこれらの構成要素の動作を制御することができるようにし、且つ正確で高速の位相走査及び測定を提供することができるようにする。
【００６６】
この例において、ユーザインタフェース２１は、この例ではキーボード３１ａ及びポインティングデバイス３１ｂを有するユーザ入力３１、並びにこの例ではＣＲＴ又はＬＣＤディスプレイ３６ａのようなディスプレイ、及びプリンタ３６ｂから成るユーザ出力３６から成る。また、そのコンピューティング装置は、そのコンピューティング装置が、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、イントラネット又はインターネットのようなネットワークを介して他のコンピューティング装置と通信することができるようにするモデム又はネットワークカードのような通信インタフェース（ＣＯＭＭＳ  ＩＮＴ）１９９も備えることができる。
【００６７】
プロセッサ２５は、たとえば、以下の方法のうちのいずれか１つ又は複数の方法によって、図３に示される制御装置３０を提供するようにプログラムすることができる。
【００６８】
１．メモリ２６の不揮発性部分、又は大容量記憶装置２７に、プログラム命令及び任意の関連付けられるデータを予めインストールすること。
【００６９】
２．取出し可能媒体ドライブ２８内に収容される取出し可能媒体２９からプログラム命令及び任意の関連付けられるデータをダウンロードすること。
【００７０】
３．通信インタフェース１９９を介して、別のコンピューティング装置から供給される信号ＳＧとして、プログラム命令及び任意の関連付けられるデータをダウンロードすること。
【００７１】
４．ユーザインタフェースのユーザ入力を使用すること。
【００７２】
プログラム命令によってプログラムされるときに、そのコンピューティング装置によって、ユーザインタフェースを介してユーザによって受信される命令に従って測定動作を制御することができるようになり、上記のように、測定結果を解析し、解析結果をユーザに表示することができるようになる。
【００７３】
図４は、ファイバ干渉計装置を含む表面特性測定装置１００’の別の例の機能図を示しており、その装置は、多数の測定ヘッド又は光プローブ（図示されるように１、１２及び１３）が設けられるという点で、図１に示される装置とは異なる。光プローブは全て、図１に示される光プローブ１と同じにすることができる。簡単にするために、図４には光プローブ１の構造のみが示されており、その場合に、サンプル支持体は、明確にするために省略されている。また、簡単にするために、Ｘ並進機構、Ｙ並進機構、Ｚ並進機構が存在することがあるが、光プローブ１は、Ｘ並進機構、Ｙ並進機構、Ｚ並進機構に関連付けられるものとして示されない。光プローブ１、１２及び１３はそれぞれ、高速に切り替えることができるようにするファイバスイッチ７０を介して、同じ光学系２に接続することができ、それによって、チューナブルレーザによって提供される掃引範囲よりもはるかに離れて配置される多数の異なる表面場所において、又は極めて大きな光学望遠鏡若しくは赤外線望遠鏡の分割レンズ、コンプレッサエーロフォイル、人工膝関節のような生体移植物等の複雑な構成要素の多数の異なる表面上で、次々に測定ヘッド又は光プローブを動かす必要なく、測定を行なうことができるようになる。図４には明示されないが、各光プローブのＰＺＴ１３及び光プローブに関連付けられる任意のＸ並進機構、Ｙ並進機構、Ｚ並進機構を、信号処理及び制御回路によって制御することができるようにするために、多重化又は同様のシステムが設けられることもできる。
【００７４】
こうして、各光プローブは、高速に応答するファイバスイッチ７０を通じて、光学系２に接続することができる。同じ主要光学系２、並びに信号処理及び制御回路３を共有する、多数の光プローブを有するそのような装置は、非常に柔軟な測定システムを形成し、それは、大きな部品にわたって、さらには異なる工作物であっても、多数の点を測定することができる。
【００７５】
図５は、ファイバ干渉計装置を含む表面特性測定装置１００’’の別の例の機能図を示しており、この装置は、ＰＺＴが基準ミラーの位置を制御するために用いられないという点で、図１に示される装置１００とは異なる。さらに正確に言うと、電気光学変調器（これは、印加される電圧の関数である屈折率を有する、ニオブ酸リチウムのような材料を含むデバイスである）を用いて、上記のように、基準経路長／位相の両方を制御して、環境の影響を補償すると共に位相シフトを実施して、実際の位相を抽出することができるようにする。
【００７６】
したがって、図５に示される装置１００’’は、ＰＺＴ及びそのコントローラが省かれており、基準ミラーの位置が固定され、サーキュレータ６の第３のポートがさらなる光結合器５ａに接続されることによって（この光結合器として再び３ｄＢ結合器を用いることができる）、サーキュレータからの光を、１）位相格子９に供給するために合成光（基準波長λ０及び測定波長λｍ）をコリメートする第１のＧＲＩＮレンズ８０に、及び２）その出力がさらなるＧＲＩＮレンズ８１によって基準ミラー１２上にコリメートされる、電気光学変調器（ＥＯＭ）３００の入力に、供給することができるようにしているという点で図１に示される装置とは異なる。ＥＯＭ３００に印加される電圧は、信号処理及び制御回路３’のＥＯＤコントローラ４００によって制御される。ＥＯＭ３００は、強い電界が印加されるときに、その屈折率において非常に迅速な変化を与えることができる。
【００７７】
図示される例では、ＥＯＤコントローラ３００は、図１に示される位相検出器及びＰＺＴコントローラの両方を提供するデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を含む。それ以外の点では、信号処理及び制御回路３’は、図１に示される回路に類似である（簡単にするために図５には示されないが、そのサンプルが、対応する並進機構によってＸ、Ｙ、Ｚのうちの少なくとも１つにおいて動かすことができる支持ステージ上に取り付けられる場合には、信号処理及び制御回路３’は、対応するＸコントローラ、Ｙコントローラ、Ｚコントローラを有するであろう）。
【００７８】
図５は、ＤＳＰ４００を実施することができる１つの方法を示す。したがって、図に示されるように、測定信号を表す検出器６２の出力が、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ４０１に供給され、一方、基準信号を表す検出器６３の出力が、アナログ／デジタルコンバータ４０２に供給される。アナログ／デジタルコンバータ４０１及び４０２は、それぞれのＰＳＩアルゴリズム実施機構４０３及び４０４にデジタル出力を与え、それによって、上記のような適切な位相抽出アルゴリズムを用いて、位相シフト測定手順中に異なる位相位置において収集される強度データを表すデジタル信号から実際の位相が求められる。実際に測定された位相を表すＰＳＩアルゴリズム実施機構４０４からの出力は、バッファ４０６及び適切なインタフェース４０７（示されるように、任意の適切なコンピュータインタフェースを用いることができるが、ＲＳ２３２インタフェース）を介して、上記のように処理するために信号処理及び制御回路３’の残りの部分の汎用コントローラ１７に供給される。したがって、この例では、アナログ／デジタルコンバータ４０２、ＰＳＩアルゴリズム実施機構４０４、バッファ４０６及び適切なインタフェース４０７が、位相検出器を提供する。
【００７９】
ＰＳＩアルゴリズム実施機構４０３の出力は、インタフェース４０７を介して汎用コントローラ１７によって与えられる設定点を有するＰＩＤ（比例／積分／微分）アルゴリズム実施機構４０８に供給される。ＰＩＤアルゴリズム実施機構４０８は、基準信号のための要求される位相（設定点によって求められる）と、ＰＳＩアルゴリズム実施機構４０３経路によって決定されるような基準信号の実際の位相との間のあらゆる差を求め、デジタル出力信号を与え、この信号は、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ４０９によって制御信号に変換され、この信号によって、ＥＯＭドライバ４１０がＥＯＭ変調器３００を駆動し、上記のように、環境の影響に起因する位相変化を補償するために基準経路長を変更し、且つ実際の位相を抽出することができるようにするために位相シフトを実現する。
【００８０】
したがって、干渉計の基準アーム内のＥＯＭを用いて、いかなる可動部品も必要とすることなく、アーム内の位相を変更することができる。その応答時間が短いため、ＥＯＭを使用することは、基準ミラーを物理的に動かすよりも、高い周波数の環境的な影響ほど補償することができることを意味する。また、高速のアクセス／応答時間は、非常に速い速度で位相シフト技法を使用する可能性を開くことによって、おそらく、解析を実行するために上記のようにＤＳＰが用いられるシステムから、概ねリアルタイムに位相を読み出すことができるようになる。
【００８１】
図５に示される装置の動作中に、ＥＯＭ３００にステップ入力電圧を印加しながら、位相シフトが実行される。ただし、各ステップは必要とされる位相シフトに関連する。ＤＳＰ４００は、ＥＯＭにステップ駆動電圧を与え、また検出器６２及び６３の出力を同期させてサンプリングする。２５μｓ（マイクロ秒）のステッピング速度を達成することができ、４ステップ位相シフトアルゴリズムが、１０ｋＨｚ（キロヘルツ）の速度で実位相データストリームを生成することになり、その周波数は２００Ｈｚの基本振動（ground vibration）よりもはるかに高い。
【００８２】
同調波長を変更することによって表面が走査されることに限って言うと、表面特性測定装置１００’’は、図１に示される表面特性測定装置１００と同じように動作する。
【００８３】
図６は、ファイバ干渉計装置１００ａを含む表面特性測定装置の別の例の機能図を示しており、この装置は、位相格子が用いられないという点で、図１に示される装置１００とは異なる。さらに正確に言うと、図６では、走査は、変換器に結合される酸化テルルのような結晶から成る音響光学偏向器（ＡＯＤ）によって制御され、音波が結晶を横切って変換器から音波吸収体まで伝搬するようにするために、その変換器にはＲＦ信号が加えられる。これは音波の周波数に依存するピッチを有する音波回折格子を作り出し、光がブラッグ角において音波格子に入射するときに生成される１次回折ビームの角度を、音響周波数を制御することによって制御することができるようにする。
【００８４】
図６に示される装置１００ａでは、チューナブルレーザの代わりに、固定波長レーザ４ａが用いられる。図６に示されるように、レーザ４ａはＨｅ−Ｎｅ６３３ｎｍレーザであり、基準レーザダイオード４０は、６７５ｎｍの波長を有する。この例では、基準ミラー１２は固定されており、サーキュレータ６の第３のポートは、さらなる光結合器５０に結合されて（この光結合器として再び３ｄＢ結合器を用いることができる）、サーキュレータからの光が、第１のＧＲＩＮレンズ８２に供給されるようにし、さらにＰＺＴファイバ位相変調器６５を介して、第２のＧＲＩＮレンズ８３にも供給されるようにする。
【００８５】
第１のＧＲＩＮレンズ８２は、対物レンズ９０の後方焦点面に位置付けられる第１のＡＯＤ５００に供給するために、合成光（基準波長λ０及び測定波長λｍ）をコリメートするための役割を果たす。サンプルは再び、その平均表面が対物レンズ９０の焦点面内にあるように配置されて位置付けられる。
【００８６】
第２のＧＲＩＮレンズ８３は、さらなる対物レンズ９１の後方焦点面に位置付けられる第２のＡＯＤ５０１に供給するために、合成光（基準波長λ０及び測定波長λｍ）をコリメートするための役割を果たす。基準ミラー１２は、対物レンズ９１の焦点面内に位置付けられる。
【００８７】
この例では、環境の影響に起因する位相変化を補償することは、図１を参照しながら上記で説明されたように、反射した基準波長信号を受信する検出器６３の出力に従って、ＰＺＴファイバ位相変調器６５を制御して基準経路長を調整するように構成されるＰＺＴコントローラ１６０によって達成される。
【００８８】
この例における光ビーム走査は、ＡＯＤコントローラ１５０によって達成され、このコントローラは、汎用コントローラ１７からの制御信号に従って、ＡＯＤに加えられる駆動信号を与え、駆動信号の周波数を制御して音波回折格子ピッチを制御する。これは、１次回折ビームが回折する角度、それゆえサンプル表面１０’上の入射の場所を制御し、それによって、位相シフト測定を行なうことができるようにし、ＡＯＤに加えられる周波数を制御することによって、サンプル表面上の種々の場所における実際の位相が抽出されるようにする。
【００８９】
測定干渉計は、この例では、基準干渉計の波長λ０とは異なるλｍの一定の測定波長を有する。動作時に、測定ビームは結合器５によって基準ビームと合成され、合成ビームがサーキュレータ６及び結合器５０によって、コリメート用ＧＲＩＮ８２及び８３に供給される。したがって、位相同期を保持するためのサーボフィードバックループを設け、それによって環境の影響を補償するために、干渉計の基準アームにＰＺＴファイバ位相変調器を組み込むことによって、アクティブ位相トラッキングホモダイン（ＡＰＴＨ）技法が採用される。両方の干渉計は再び、概ね同じ光路を共有するため、測定干渉計に与える環境の影響の大部分を、基準干渉計によって補償することができる。
【００９０】
測定アームＡＯＤ５００によって、λ０の０回折次及びλｍの１回折次が同時に通過することができるようになる。基準アームＡＯＤ５０１は、測定アームＡＯＤ５００と同一であり、同じように制御される。基準アームＡＯＤ５０１は、測定アームＡＯＤ５００によって導入される任意の周波数シフトを補償するための役割を果たす。光プローブ内の測定光路及び基準光路の対称性は、対物レンズ９０及び９１の任意の光学収差によって導入されるシステム誤差も低減することができる。
【００９１】
ＡＯＤ５００及び５０１によって生成される１次回折ビームの回折角は、ＡＯＤに加えられる音響周波数に正比例する。ＡＯＤ上での光ビームの回折点は、再び共焦点系を実現するためにレンズの焦点に位置付けられ、光が再びサンプル表面によって逆反射される。
【００９２】
この例の走査範囲Ｓは以下の数５によって与えられる。
【００９３】
【数５】
2009540321.tif 000007
【００９４】
ただし、ｆは対物レンズの焦点距離であり、νａはＡＯＤ内の音速であり、Δｆは周波数走査の範囲である。
【００９５】
ＡＯＤのアクセス時間は極めて短いので（数十μｓ）、サンプルの表面を迅速に走査することができる。
【００９６】
これまでに説明されたように、ＡＯＤは１次元において走査を達成するものと仮定される。しかしながら、２つのＡＯＤが直交格子を作り出すように、それらのＡＯＤが直列に設けられる２軸ＡＯＤを用いることによって、２次元走査を達成することができる。これによって、任意の機械的走査を用いることなく、３Ｄ表面測定を達成することができるようになる。さらに、測定のために単一の波長のみが用いられるため、色消し収差の問題はないはずである。そのようなシステムは非常に経済的でもある。
【００９７】
多数の光プローブを使用することができるようにするために、図５及び図６に示される表面特性測定装置を、図４を参照しながら上記で説明されたように変更することができる。
【００９８】
ファイバ干渉計を用いる表面特性測定装置は小型にすることができ、相対的に安価に製造することができる。半導体処理及び集積技術を用いることによって、サイズをさらに小さくすることができ、コストをさらに削減することができる可能性がある。たとえば、シリカ・オン・シリコン技術を用いて、光学系２の構成要素を小さな固体チップに集積することができ（オンチップ導波路を用いて、光ファイバ経路のうちの適切な経路を置き換えることによる）、光プローブを、そのチップの１つの導波路の１つのチャネル上に取り付けることができ、それによって、空間が極端に限られているか、又は近づくことが難しい環境に適合しており、たとえば、マイクロスケール構造又はナノスケール構造を測定する際に用いるための、丈夫で、非常に小型の表面測定装置を形成する。
【００９９】
図５〜図７には示されないが、起こり得る偏光フェージング問題に対処するために、結合器５とサーキュレータ６との間に偏光スクランブラ７を設けて、光の偏光状態を変調することができる。
【０１００】
上記の各例では、可能である場合には、サンプル支持体上にサンプルを取り付けることによって、又はサンプル表面に対して正確な向き及び位置にある支持体若しくはガントリ上にプローブを懸吊することによって、光プローブに対してサンプルを正確に配置することができる。後者の方法は、たとえば、表面がさらに大きな構成要素又はアセンブリの一部である場合に、そのままの状態でサンプル表面を測定するのを容易にすることができる。図４を参照しながら検討されたマルチプローブ構成は、たとえば、表面がさらに大きな構成要素又はアセンブリの一部であり、種々の表面場所において測定が要求される場合に、そのままの状態でサンプル表面を測定するのに特に好都合であり得る。
【０１０１】
上記の例はファイバ干渉計又は集積チップ導波路構成を用いたが、光ファイバを用いることなく、又は特定の場所においてのみ光ファイバを用いて、本発明を具現化する装置を実施することもできる。
【０１０２】
ブラッグ格子ではなく、フィルタ又は波長反射器を用いることもできる。また、適切な場合には、サーキュレータの代わりに、ビームスプリッティングデバイスを用いることもできる。ＧＲＩＮレンズではなく、他の形のコリメータを用いることもできる。基準ミラーとして、ブラッグ格子、たとえばファイバブラッグ格子のような別の形の反射面を用いることができる。図１では、位相格子が用いられることが好ましいが、同じ機能を提供する他のデバイスを用いることもでき、たとえば、振幅格子を用いることもできる。
【０１０３】
信号処理及び制御回路は、汎用コンピュータ、ＤＳＰ、マイクロコントローラ、ＧＰＩＢ等を単独で、又は任意の適切な組み合わせにおいて用いて、任意の適切な態様で実施することができる。状況及び要件に応じて、制御はハードワイヤード又はソフトウエア駆動で行なうことができる。
【０１０４】
一般的に１次回折光が検出されるが、他の次数を用いることもできる。
【０１０５】
マイケルソン干渉計が上述されてきたが、他の適切な干渉計を用いることもできる。
【０１０６】
図１、図４及び図５を参照しながら上記で説明されたように、波長は連続的に走査され、測定のタイミングは、検出器の起動を制御することによって又は位相特性測定器による測定信号データの記憶を制御することによって達成される。別の可能性として、波長走査は連続している必要はなく、段階的に行なうこともできる。この場合、次の波長に進む前に、波長毎に位相シフト測定を実施することができる。図６の例でも同じような変更を加えることができ、すなわちＡＯＤの制御は、連続している必要はなく、段階的に行なうことができ、その場合、次の表面場所に進む前に、表面場所毎に位相シフト測定を実施することができる。
【０１０７】
また、上記の技法以外の他の位相抽出技法を用いることもできる。
【０１０８】
いずれか１つの例に関連して説明される任意の特徴は単独で、若しくは記述される他の特徴と組み合わせて用いることができ、また、他のいずれかの例の１つ又は複数の特徴と組み合わせて、若しくは他のいずれかの例の任意の組み合わせにおいて用いることができることは理解されたい。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、上述されない同等形態及び変更形態も具現化することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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