(57)【要約】  本発明はマイクロ干渉計に関する。物体表面（１１０）までの距離を正確に測定するためのマイクロ干渉計（１００）の実施の態様は、基板（１５２）と、該基板（１５２）の上部に形成される可変位相感知反射型回折格子（１５６）と、を含む。回折格子（１５６）は、入射光の第１の部分を反射し、入射光の第２の部分を透過させ、その結果、入射光の該第２の部分を回折するように、構成される。回折格子（１５６）はまた、制御可能に調整されるように構成される。マイクロ干渉計（１００）は、回折格子（１５６）から反射された入射光の第１の部分、及び物体表面（１１０）から反射された入射光の第２の部分から生成される干渉パターンを受信するための光検出器（１２０）をさらに含む。マイクロ干渉計（１００）は、コントローラ（１７０）をさらに含み、該コントローラは、干渉パターンが変更されるように回折格子（１５６）を調整するために、光検出器（１２０）と回折格子（１５６）とに結合される。システム及び方法もまた開示される。
2005512018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上部に形成され、入射光の第１の部分を反射し、入射光の第２の部分を透過させ、その結果、該入射光の第２の部分が回折されるように、構成される可変位相感知反射型回折格子であって、さらに制御可能に調整されるように構成される、可変位相感知反射型回折格子と、
前記回折格子から反射される前記入射光の第１の部分、及び物体表面から反射される前記入射光の第２の部分から生成される干渉パターンを受信するための光検出器と、
干渉パターンが変更されるように前記回折格子を調整するための、前記光検出器と前記回折格子とに結合されるコントローラと、
を含む、物体表面までの相対距離を測定するためのマイクロ干渉計。
【請求項２】
生成された干渉パターンから、物体表面と、前記マイクロ干渉計の基準点との間の相対距離を計算するためのプロセッサをさらに含む、請求項２に記載のマイクロ干渉計。
【請求項３】
前記入射光の第２の部分を所定の焦点距離に焦点を合わせるための、前記基板上に形成されるレンズをさらに含む、請求項２に記載のマイクロ干渉計。
【請求項４】
前記レンズの幅が５０乃至５００μｍの間にある、請求項３に記載のマイクロ干渉計。
【請求項５】
前記プロセッサがさらに、絶対距離を計算する、請求項３に記載のマイクロ干渉計。
【請求項６】
前記回折格子が、前記基板の平面に沿って略線形に位置付けられる複数の回折格子フィンガを含む、請求項１に記載のマイクロ干渉計。
【請求項７】
前記回折格子フィンガの少なくとも１つの前記基板に対する位置が駆動作用により制御可能に調整される、請求項６に記載のマイクロ干渉計。
【請求項８】
前記回折格子フィンガの少なくとも１つの前記基板に対する位置が静電気的駆動により制御可能に調整される、請求項７に記載のマイクロ干渉計。
【請求項９】
前記基板上に形成される少なくとも第１の電極をさらに含み、該第１の電極は、電位が前記コントローラによって付与され、前記第１の電極及び前記回折格子フィンガの少なくとも１つにわたって付加される場合、該少なくとも１つのフィンガの位置が制御可能に調整できるように構成される、請求項８に記載のマイクロ干渉計。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのフィンガの位置が、前記マイクロ干渉計の感度を最適化するために所定の位置に変更可能である、請求項９に記載のマイクロ干渉計。
【請求項１１】
前記電位が、前記少なくとも１つのフィンガの位置を制御可能に変調するためのＡＣ部分を含む、請求項８に記載のマイクロ干渉計。
【請求項１２】
入射光の光源をさらに含む、請求項１に記載のマイクロ干渉計。
【請求項１３】
前記入射光が前記光源から光ファイバを介して導光される、請求項１２に記載のマイクロ干渉計。
【請求項１４】
前記光検出器の幅が、５０乃至５００μｍの間にある、請求項１に記載のマイクロ干渉計。
【請求項１５】
前記基板が略透明である、請求項１に記載のマイクロ干渉計。
【請求項１６】
前記略透明の基板が水晶から成る、請求項１５に記載のマイクロ干渉計。
【請求項１７】
前記光検出器が前記基板に略平行に位置付けられる、請求項１に記載のマイクロ干渉計。
【請求項１８】
前記光検出器が、物体表面から反射された入射光の第２の部分の少なくとも１つの次数の強度を受信するように選択的に位置付けられる、請求項１７に記載のマイクロ干渉計。
【請求項１９】
前記光検出器の幅が５０乃至５００μｍの間にある、請求項１に記載のマイクロ干渉計。
【請求項２０】
目標表面までの距離を測定するためにマイクロ干渉計の動作を可能にし、
前記マイクロ干渉計によって行なわれる測定から目標表面までの距離を計算し、
前記マイクロ干渉計の性能を最適化するためにマイクロ干渉計の可変回折格子を制御可能に調整すること、
を含む、マイクロ干渉計の性能を最適化するための方法。
【請求項２１】
前記マイクロ干渉計の動作を可能にすることは、
前記可変回折格子を介して入射光ビームにより目標表面を照射し、
該目標表面によって生成される反射光と干渉する前記可変回折格子によって生成される反射光によって生成される干渉パターンを受信し、
該干渉パターンの強度を測定すること、
を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記制御可能に調整することは、前記可変回折格子の回折格子フィンガの位置を駆動作用によって変化させることを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記駆動作用は静電的駆動であり、前記回折格子フィンガの位置を変化させることは、該フィンガの位置が目標表面から所定の最適距離に設置されるように、電極及び前記回折格子フィンガにわたって電位を供給して回折格子フィンガを制御可能に変形させることを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記電位が、回折光強度変位を最大にするために較正信号をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記電位が、前記回折格子フィンガの位置を変調するための変調信号をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
マイクロ干渉計からデータを受信するための手段と、
前記マイクロ干渉計からのデータを処理するための手段と、
フィードバック信号を生成するための手段と、を含み、該フィードバック信号が、前記処理するための手段によって処理されるデータに関連し、前記マイクロ干渉計の可変回折格子を調整するように構成される、
マイクロ干渉計の測定値を最適化するためのシステム。
【請求項２７】
前記生成するための手段が、前記可変回折格子の少なくとも第１の回折格子フィンガを所定の最適感度位置に静電的に駆動するための電位のＤＣ部分を生成するための手段をさらに含む、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記生成するための手段は、前記少なくとも第１の回折格子フィンガにおける位置を変調するための電位のＡＣ部分を生成するための手段をさらに含む、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
基板を付与するステップと、
該基板上に電極を形成するステップと、
該電極の上方且つ前記基板の上部において、電極から可変距離をおいて位置付けられるように形成される、位相感知反射型可変回折格子を形成するステップと、
を含む、可変回折格子の製造方法。
【請求項３０】
前記電極を形成するステップは、
基板上に犠牲フォトレジスト（ＰＲ）層を付与し、
該ＰＲ層に電極用のチャネルをフォトリソグラフィ法でパターン形成し、
導電性材料を被着させて電極を形成すること、
を含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記位相感知反射型可変回折格子を形成するステップは、
基板上に犠牲ＰＲ層を被着させ、
各チャネルのベースと電極との間に初期距離が残るように、フォトリソグラフィ法でＰＲ層にチャネルをパターン形成し、
該チャネル内に反射性材料を被着させること、
を含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記反射性材料を被着させるステップは、
チャネル内に構造材料を被着させ、
該構造材料を反射性材料でコーティングすること、を含む、
請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記反射性材料がアルミニウムである、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
第２の基板を付与するステップと、
該第２の基板上にマイクロレンズを形成するステップと、
第２の基板を第１の基板に結合するステップと、
をさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３５】
前記基板にマイクロレンズを形成するステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３６】
前記基板上にマイクロレンズを形成するステップは、
前記基板上にＰＲ層を被着させ、
該ＰＲ層上の略円形領域をフォトリソグラフィ法でパターン形成し、
該ＰＲ層の略円形領域に熱を加えてマイクロレンズを形成すること、
を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記基板が略透明である、請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照：
この出願は、以下の同時係属米国仮出願（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に対する優先権を主張し、これら米国出願のすべてが全体として参照によって本明細書に組み込まれる。
（ａ）「高精度且つ高速平面度測定のためのマイクロ干渉計（Micro-Interferometer for High Precision, High-Speed Flatness Measurement）」（２００２年２月１３日出願、出願番号不明）
（ｂ）「感度が最適化された、自己較正能力を有するマイクロ干渉計（Micro-Interferometers with Sensitivity Optimization and Self Calibration Capability）」（２００２年２月１３日出願、出願番号不明）
（ｃ）「正確な絶対距離測定のためのマイクロ干渉計（Micro-Interferometer for Accurate Absolute Distance Measurements）」（出願番号第６０／２７９，２７５号、２００１年３月２９日出願）
本出願はさらに、以下の同時係属米国一般特許出願（ａ）及び（ｂ）に関連しており、これら両出願は全体として参照によって本明細書に組み込まれる。
（ａ）「表面プロファイリングのためのシステム及び方法（System and Method for Surface Profiling）」（２００２年３月２９日出願、出願番号不明）
（ｂ）「距離測定のためのマイクロ干渉計（Microinterferometers for Distance Measurements）」（２００２年３月２９日出願、出願番号不明）
本発明は、概して測定装置に係り、さらに詳しくは、干渉計に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光学干渉法は、表面形状や距離等を測定するために、電磁波、特に、可視光波を分割し再結合する動作である。干渉法の発達は、多くの技術上の手段に利用されてきた。遠距離望遠鏡、高精度分光計、コンパクト・ディスク・プレーヤ等は、干渉法のある形態を利用する。マイクロマシンは成長中の技術であり、多くの場合に干渉計を用いるが、これは概して解像度と精度が高いからである。一般に、サブナノメートル範囲での変位測定は、今日の干渉計で検出することができる。微小規模構造を検査するためには、一般的には干渉計の方位分解能を向上させる必要がある。これは、干渉計を通常の顕微鏡に結合させることによって達成できる。残念なことに、この干渉計のサイズはかなり大きくなり、その結果、小さな検査用のスペースに適応しないこともある。さらに、多数の微小規模構造を検査するために、試料又は顕微鏡対物レンズが走査され、結果として、画像化の速度が遅くなる。
【０００３】
小容積における干渉計測感度を得るために、種々の方法が開発されている。これらの方法の１つは、位相感知回折格子を含む（非特許文献１及び特許文献１を参照）。
【０００４】
制御質量の変位を干渉精度で測定するために、ミクロ加速度計においても同様の構造が使用される（非特許文献２を参照）。しかしながら、これらの論文が、基準回折格子に対する物体の相対距離を測定することを論じていることを留意すべきである。
【０００５】
マイクロ干渉計の２つの周知の使用法は、距離測定及び形状測定であり、種々の光学的距離測定及び形状測定の方法がある。焦点分析を用いた従来の距離測定は有効な方法であるが、精度を高めて被写界深度を浅くするためには、レンズ類が一般に大きくなる。したがって、形状測定を行なうための機械的走査は緩速且つ困難な作業になる。解像度を向上させるために顕微鏡を使用することができるが、これは物体からの距離が非常に短くなるという代償を払う結果となり、走査を困難にする。干渉測距方法は非常に正確であるが、通常の実施において、相対座標空間内で作動し、物体表面が急な不連続性を有する場合に問題となる可能性がある。
【特許文献１】米国特許番号第５，９０８，９８１号
【非特許文献１】Ｓ．Ｒ．マナリス（S.R.Manalis）、Ｓ．Ｃ．ミンヌ（S.C.Minne）、Ａ．アタラー（A.Atalar）、Ｃ．Ｆクアト（C.F Quate）著、「原子間力顕微鏡検査法のためのインターディジタル形カンチレバー（Interdigital Cantilevers for atomic force microscopy）」、アプライド・フィジクス・レターズ（Appl. Phys. Lett., 69）、１９９６年１２月１６日、ｐｐ．３９４４−６
【非特許文献２】Ｅ．Ｂ．クーパー、（E.B.Cooper）、Ｅ．Ｒ．ポスト（E.R.Post）、Ｓ．グリフィス（S.Griffith）著、「高解像度ミクロ機械加工式干渉加速度計（High-resolution micromachined interferometric accelerometer）」、アプライド・フィジクス・レターズ（Appl. Phys. Lett., 76(22)）、２０００年５月２９日、ｐｐ．３３１６−３３１８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
相対距離のみを決定できる今日の大多数のマイクロ干渉計とは対照的に、相対距離と同様に絶対距離も決定できるマイクロ干渉計を備えることが望ましいとされる。マイクロ干渉計の解像度及び感度を向上させるとともに、マイクロ干渉計を比較的高速状態にして検査中の微小構造の動的応答の測定を可能にすることもまた、望ましいとされる。
【０００７】
ある時点で、マイクロ干渉計の感度と、さらには、解像度を、ある程度に限って向上させることができる。大部分の送信／受信システムのように、これはシステムにおけるノイズのために信号における非常に小さな差異が検出できない場合に生じる。信号強度、この場合は、光強度及び方位分解能がその既知の限界まで改善されると、一般に次のステップではそのノイズ・フロアーを低減させる。これは、信号の強度を増大させることと同様に、信号対雑音比（ＳＮＲ）を高める。干渉計等の光学システムにおいて、種々のノイズ源が存在する。例えば、発光している光源によって生じるノイズ、受信素子におけるショットノイズ、バックエンド電気部品からの電気ノイズ、及び機械雑音や熱雑音等の全体的システムノイズなどがある。システムにおけるノイズの一部又はすべてを解消、及び／又は軽減することができるマイクロ干渉計を備えることは望ましい。上記のように、これはＳＮ比を高めるとともに、マイクロ干渉計の全体的な解像度及び性能を向上させることができる。
【０００８】
前述の説明に基づいて、従来技術の上記問題及び／又はその他の欠点に対処する改善されたマイクロ干渉計が必要であることを理解すべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、物体表面までの距離を正確に測定するためのマイクロ干渉計に関する。この点において、マイクロ干渉計の１つの実施の形態は、基板、及び該基板の上部に形成される可変位相感知反射型回折格子を含む。回折格子は、入射光の第１の部分を反射し、入射光の第２の部分を透過させ、その結果、該入射光の第２の部分が回折されるように、構成される。回折格子はさらに、制御可能に調整されるように構成される。マイクロ干渉計は、回折格子から反射される入射光の第１の部分、及び物体表面から反射される入射光の第２の部分から生成される干渉パターンを受信するための光検出器をさらに含む。マイクロ干渉計はさらに、コントローラを含み、該コントローラは、干渉パターンが変更されるように回折格子を調整するために光検出器と回折格子とに結合される。
【００１０】
マイクロ干渉計の性能を最適化するための方法もまた、提供される。中でも、かかる方法の１つは、目標表面までの距離を測定するためにマイクロ干渉計の動作を可能にするステップと、該マイクロ干渉計によって行なわれる測定から目標表面までの距離を計算するステップと、マイクロ干渉計の性能を最適化するためにマイクロ干渉計の可変回折格子を制御可能に調整するステップと、によって実施される。
【００１１】
マイクロ干渉計の測定を最適化するためのシステムもまた、提供される。とりわけ、かかるシステムの１つは、マイクロ干渉計からデータを受信するための手段と、マイクロ干渉計からのデータを処理するための手段と、フィードバック信号を生成するための手段と、を含み、該フィードバック信号は、前記処理手段によって処理されたデータに関連し、マイクロ干渉計の可変回折格子を調整するように構成される。
【００１２】
可変回折格子を製造する方法もさらに、提供される。中でも、かかる方法の１つは、基板を提供するステップと、該基板上に電極を形成するステップと、該電極の上方且つ基板の上部に、電極から可変距離をおいて位置付けられるように、位相感知反射型可変回折格子を形成するステップと、によって実施される。
【００１３】
本発明のその他のシステム、方法、特徴、及び利点は、以下の図面及び詳細な説明を検討することによって当業者には明らかになるだろう。このような更なるシステム、方法、特徴、及び利点のすべてが本明細書に含まれ、本発明の範囲内にあり、さらに付随する特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。
【００１４】
本発明の多くの態様は、以下の図面を参照してより良く理解することができる。図面における構成要素は必ずしも一定の縮尺であるとは限らず、それよりも本発明の原理を明確に説明することに関して重点を置いている。さらに、これら図面において、同様の参照番号は各図を通して対応する部分を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本明細書において更に詳細に説明されるように、本発明によるマイクロ干渉計は、数個のマイクロ干渉計がアレイ構造において並行して動作している場合は特に、比較的高速に物体に対する相対距離及び／又は絶対距離を測定することができる。そのために、マイクロ干渉計は、変位感度及びＳＮ比を大きくするノイズの低減に対し最適化することができる。
【００１６】
図面をさらに詳細に参照すると、図１は、マイクロ干渉計においてビームを分割するために回折格子を使用する概念を説明する線図である。この概念は、原子間力顕微鏡検査法（ＡＦＭ）チップ変位の測定等の、正確な相対変位の測定、及び回折格子ライトバルブ（ＧＬＶ）のような空間光変調器において使用されてきた。この概念はまた、F.L. Degertekin、G.G. Yaralioglv、及び B. Khuri-Yakubによる同時係属米国特許出願（２００１年６月２８日出願、出願番号は不明、米国特許仮出願番号第６０／２１４，８８４号に対し優先権を主張する）においても開示されている。ＡＦＭは概して、原子レベルで剛体材料の表面を分析するための方法である。ＡＦＭは、機械プローブを使用して表面特徴を１億倍まで拡大し、表面の三次元画像を生成することができる。一般に、ＧＬＶは数個の非常に小さい反射リボンを含み、これらリボンはシリコンチップ上に取り付けられ、チップとリボンとの間には極めて小さな空隙を備える。電圧が特定のリボンの下にあるチップに印加されると、そのリボンは照明光の波長の何分の１かだけチップ側に湾曲する。変形したリボンは集合的に回折格子を形成し、光の種々の次数が結合されて画素を形成することができる。リボンの形状、及びその結果としての画像情報は、２００億分の１秒ほどの瞬時において変化させることができる。
【００１７】
図１の線図は２つのシナリオ（モデル）を示している。第１のシナリオ１は、目標表面４が、半波長の距離（λ／２）だけ基準点、この場合は反射型回折格子５から離れて設置される場合に起こる事を示している。第２のシナリオ２は、目標表面４が、１／４波長の距離（λ／４）だけ回折格子５から離れて設置される場合に起こる事を示している。かかる構造の詳細な回折パターンは、光検出器又は導光アパーチャの位置及びサイズを決定するために標準回折理論を適用することによって検出することができる。
【００１８】
両事例ともに、反射型回折格子５が透明基板３上に形成されている。このような要素を構成するために用いられる好例な材料が、図４に関して更に詳細に検討される。回折格子５は、透明基板３の前端に沿って均等間隔に配置される回折格子フィンガ６のアレイから構成される。上記のように、この図が一定の縮尺で描画されたものではなく、単に図示するためのものであることを留意すべきである。実際には、回折格子フィンガ６は一般的に、ミクロメータ又はナノメータ台の高さを有する。
【００１９】
第１のシナリオ１では、入射光が透明基板３内に照射されると、入射光の第１の部分が反射型回折格子５から反射される。入射光の第２の部分は透過され、回折格子フィンガ６の周囲で回折される。透過且つ回折された光は目標表面４から反射し、光検出器又はフォトダイオード等の適切な検出装置（図示せず）によって測定される。シナリオ１にあるように、目標表面は、λ／２又はその整数の倍数の距離をおいて設置される。この場合、透過入射光のゼロ番目の次数は反射され戻される。一般的に、ゼロ番目の次数は直接照射される透過光であり、この場合、回折又は方向変化は起こらない。入射光の第１の部分、及び目標表面４から反射された入射光の第２の部分は互いに干渉し合う。これら光波の２つの部分の位相は、建設的及び相殺的干渉パターンを形成するのに役立つ。該干渉パターンから、回折格子５と目標表面４との間の相対距離が決定できる。
【００２０】
シナリオ２では、同じ一般的構造が設定される。この場合、目標表面４は回折格子５からλ／４の距離をおいて設置される。実際には、目標表面４はλ／４の整数の倍数のところに設置され、同じ一般的結果がもたらされることになる。入射光の第１の部分が反射された入射光の第２の部分と重なる場合、相殺的干渉がこれら２つの部分を相殺する。この光の第２の部分は、目標表面４と回折格子３との間の距離の２倍の距離だけ余分に進行し、その結果、これら２つの部分の位相差がπとなり、完全な相殺的干渉をもたらすことになる。これに対し、一次等の、高次回折場が、入射光の第１の部分と建設的に干渉する可能性がある。図１に描画されるように、入射光の高次の第１と第２の各部分はそれぞれある角度に向けられ、ゼロ番目の次数のビームのように照射ラインと平行することはない。
【００２１】
回折格子を使用して光ビームを分割し、その結果、相対距離を測定する例を述べてきたが、図１で説明された方法を使用した結果を示すために理論上の計算が用いられる。λ＝６３２ｎｍの入射光が透明基板３を介して反射型回折格子５上に照射されることを想定する。この入射光を付与するためにレーザが用いられる。この場合、ヘリウム・ネオン（ＨｅＮｅ）レーザが用いられる。回折格子５が、ｄg＝２μｍで均等間隔に置かれた１０個の回折格子フィンガ６を含むことを想定する。図２は、図１に示された方法を用いて種々の間隙厚さを有する観察面上で測定される反射光の分布を示すグラフ１０である。以下に、基準点、この場合は回折格子５、及び目標表面４の間の距離は間隙厚さと称され、表面に対する絶対距離と考えることができる。
【００２２】
図２は、観察距離（ｘ）１８に対する反射光の正規化強度２０を示している。観察距離、ｘ、は横方向にあり、ゼロ番目の次数のビームが中心に設定される。この場合、１００μｍ幅の光検出器が使用されている。グラフ１０には、３つのシナリオ（モデル）が示されている。シナリオ１２は間隙厚さがｄ＝λ／２である正規化強度２０を示している。シナリオ１４は、間隙厚さがｄ＝λ／４である正規化強度２０を示している。シナリオ１６は間隙厚さがｄ＝λ／８である正規化強度２０を示している。
【００２３】
予想されるように、シナリオ１２は、完全な建設的干渉の状態にあるゼロ番目の次数の反射光を示している。高次ビーム、例えば、一次及び三次の各ビームが相殺的干渉をもたらすので、これらの強度は相殺される。シナリオ１４は、ゼロ番目の次数のビームが完全に相殺され、反射ビームの一次及び三次の各ビームが部分強度を有するように見えることを示している。シナリオ１６は、間隙厚さがｄ＝λ／８である場合に、ゼロ番目の次数と一次の両ビームが一部の光強度を含むことを示している。おそらく最も重要なことであるが、グラフ１０は、変化する間隙厚さに対する反射光の次数の強度の周期性を示そうとするものである。
【００２４】
回折格子反射面の関数としてこれらの次数の強度は、図３に示されるように
cos2(2πd/λ)及びsin2(2πd/λ)の変化量を示している。図３は、図１で説明された方法を用いて間隙厚さ３６に対する種々の回折次数３２、３４の正規化強度３８を示すグラフ３０である。
【００２５】
図３に示されるように、ゼロ番目の次数（ゼロ次）の曲線３２は、cos2(2πd/λ)の形状を示す。これは図２で得られた結果と一致している。約０．３１６μｍの、λ／２の間隙厚さにおいて、強度が最大である。約０．１５８μｍの、λ／４の間隙厚さにおいて、強度は０である。一次ビームの曲線３４は、sin2(2πd/λ)の形状を示す。図３のグラフ３０は、回折次数の周期性を明確に示している。図に示すように、その他すべての変数を一定且つ既知数であるように保持することで、各次数のビーム強度、特に、一次ビームの強度を測定することによって相対距離を計算することができる。実際には、反射された次数のビーム強度を監視することによって、1×10-5オングストローム／√Hz台の干渉解像度を得ることができる。
【００２６】
残念なことに、強度曲線の周期性によって、絶対距離を決定することができず、相対距離のみが決定できる。例えば、間隙厚さがλ／４であるか又は３λ／４であるかを判断することはできない。以下の説明において、この潜在的な問題を解決可能な種々の実施の形態が述べられる。そのため、提示された解決法は、マイクロ干渉計の方位分解能及び総合感度を向上させることにも役立つ。
【００２７】
図４は、本発明によるマイクロ干渉計１００の実施の形態を示す線図である。このマイクロ干渉計１００には、入射光を付与する光源１４０が含まれる。マイクロ干渉計１００はまた、可変回折型マイクロ対物レンズ１５０を含む。この可変回折型マイクロ対物レンズ１５０には、実質的に透明な基板１５２と、この透明基板１５２の下に形成される可変位相感知反射型回折格子１５６と、透明基板１５２の上部に形成されるレンズ１５４とが含まれる。電極１８０もまた、可変回折型マイクロ対物レンズ１５０に含まれ、基板１５２上に形成され、電極１８０の一部が回折格子１５６の各フィンガ１５９の下にあるように回折格子１５６に対し直交させて位置付けられる。光検出器１２０もまた、反射光を受信するようにマイクロ干渉計１００に含まれる。この光検出器１２０に電気的に接続されるプロセッサ１３０は、受信された信号を処理し、その結果、所望の計算を適切に行なうように構成される。作動中、目標表面１１０は、マイクロ干渉計１００の既知の基準点から未知の距離だけ離れて配置されることになるが、入射光の方向と直交することが好ましい。
【００２８】
この実施の形態では、コントローラ１７０が、電極１８０、及び回折格子４０に連結されている。電極１８０及び回折格子４０に電位を付加することによって、コントローラ１７０は回折格子４０を静電的に駆動することができる。この概念は、図６乃至図８に関して更に詳細に説明される。
【００２９】
この実施の形態において、光源１４０は、既知の波長、λ、の電磁波を発するレーザでもよい。放射された入射光ビーム１０１は反射型回折格子１５６上に照射される。この実施の形態では、ヘリウム−ネオン（ＨｅＮｅ）レーザ（λ＝６３２ｎｍ）が用いられる。その他の実施の形態において、光源１４０は異なる既知の波長を発するレーザでもよい。マイクロ干渉計１００の構成要素のサイズが入射光ビーム１０１の波長に関して計算される限りにおいては、入射光ビーム１０１の正確な波長は様々であってもよい。そのため、１つ以上の既知の波長を発する光源を同様に用いることができるが、好ましくは、１つの既知の波長を発する光源が用いるのがよい。実際には、目標表面１１０及び回折格子１５６間の距離の２倍又はそれ以上のコヒーレンス長（可干渉距離）を有する種類の一時的にコヒーレントな光源を用いることができる。
【００３０】
その他の実施の形態では、入射光ビーム１０１は、光源１４０が遠方に配置される場合に、光ファイバを介して伝送される。図４に示されるように、光源は透明基板１５２の平面の法線上に配置される。光ファイバを利用することにより、光源１４０が柔軟性を持って設置されることになる。
【００３１】
さらに別の実施の形態において、入射光ビーム１０１が、導波管及び／又は適切に配置された１組のミラーを介して回折格子１５６に向かって導光される。例えば、光源１４０は透明基板１５２の長さ方向に対し比較的平行に位置付けられることができる。この場合、ミラー及び／又は導波管は、回折格子１５６の法線の方向に照射されるように、入射光ビーム１０１の方向を変えることができる。そのため、入射光ビーム１０１が回折格子１５６の法線の方向に照射される場合に最良の結果が得られると思われるが、必ずしも必須ではない。
【００３２】
透明基板１５２は一般に平面であるが、必ずしもそうである必要はない。例えば、基板１５２は、回折格子１５６を形成するための丸い表面を持つように切削加工することもできる。これは、入射光ビーム１０１を焦点合わせすることに役立つ。基板１５２には、種々の材料を用いることができる。限定されない例として、水晶、シリコン、サファイア、ガラス、及びそれらの組み合わせがあげられる。その他の実施の形態において、基板１５２は非透明でもよいが、バルクエッチング加工された空隙（キャビティ）を基板１５２に組み込んで照射可能とすればよい。一般に、入射光ビーム１０１の所与の波長に対する透明基板１５２の透過係数、τ、は０．９よりも大きい。透明基板１５２の寸法は、マイクロ干渉計１００の全体構造によって変化する可能性があるが、一般に、基板１５２の横方向の厚さは０．１乃至２ｍｍの範囲であり、同じようにＦ数が１乃至５の範囲において作動距離が０．１乃至２ｍｍの範囲にあればよい。横方向の長さは、マイクロ干渉計１００の構造によって変化する可能性がある。製造を簡単にするために、基板１５２の横方向の長さがレンズ１５４の幅よりも十分に長いことが必要である。
【００３３】
その他の実施の形態において、透明基板１５２は製造の際に、回折及び／又は平行入射光ビームを焦点合わせするのを補助するように構成される。その他の実施の形態では、レンズ１５４は基板１５２を切削して作られてもよく、その結果、レンズ１５４を基板１５２に完全に組み込むことになる。
【００３４】
上記のように、回折格子１５６は種々の均等間隔配置されたフィンガ１５９を含む。一般に、隣接するフィンガ間の距離は、入射光ビーム１０１の波長の程度であればよい。これらフィンガ１５９は、反射係数が０．８乃至１の範囲にある反射導電材料から構成することができる。回折格子フィンガの導電性はこれらフィンガ１５９を静電的に駆動するために必要である。一般に、フィンガ１５９はブロック形状であり、非絶縁性反射塗膜（コーティング）を有する導電材料から構成することができる。その他の実施の形態では、フィンガ１５９は誘電体材料から構成され、導電反射性材料でコーティングすることができる。フィンガ１５９の寸法は、入射光ビーム１０１の波長によって大きく変更する可能性がある。しかしながら、この実施の形態では、フィンガ１５９の寸法は、入射光ビーム１０１の波長の程度、又は約０．５乃至１０μｍであればよい。（横方向の長さがおよそ１０λ程度の）数個のフィンガー１５９が回折格子１５６を構成してもよい。この実施の形態において、回折格子１５６は透明基板１５２の前部平面上に形成される。その他の実施の形態において、回折格子１５６は透明基板１５２の後部平面上に形成される。この場合、レンズ１５４は、相対距離のみが測定できるように取り外されることもある。
【００３５】
回折格子フィンガ１５９は均等間隔で配置される必要がない。回折格子１５６は、入射光ビーム１０１を所与の焦点に合わせるように構成される。これは、光を焦点合わせするような方法でフィンガ１５９間の間隙を変化させることによって達成することができる。
【００３６】
電極１８０は回折格子フィンガ１５９に対して配置される。一般に、電極１８０は、基板１５２上に被着され、フィンガ１５９に直交し、さらに光の透過を妨げないように偏心配置される導電性材料である。回折格子フィンガ１５９と同様に、電極１８０は、導電性コーティングで塗布された誘電体材料であってもよい。実際に、直流や交流電圧、あるいは双方ともに、電極１８０及びフィンガ１５９に印加される場合、フィンガ１５９は回折格子１５６を変形させるように電極１８０に向かって湾曲することになる。その他の実施の形態において、１つ以上の電極１８０が存在することもある。こうした電極１８０は製造時に、回折格子フィンガ１５９を動作中の基板１５２に略平行な状態に保持するように構成される。
【００３７】
レンズ１５４は基板１５２とは異なる材料から形成することができ、基板１５２の後部平面に形成される。一般に、レンズ１５４は、透過係数が０．７乃至１の範囲にある平面凸レンズである。使用できるレンズ１５４の限定されない例として、バイナリーフレネルレンズや、２つ以上の位相段差を備えたレンズがあげられる。レンズ１５４の横方向の長さは５０乃至１５０μｍである。レンズ１５４の厚さは最大で５０μｍであるが、一般には、構成される方法によって大きく異なることがある。その他の実施の形態では、既述したように、別個のレンズ１５４が必要でなくてもよいように基板１５２を形成することもできる。レンズ１５４の機能は基板１５２に組み込むことができる。実際に、レンズ１５４は絶対距離を決定するのに役立つ焦点深度を規定する。その他の実施の形態においては、レンズ１５４が存在しないことにより、絶対距離の測定の可能性が排除されることになる。このような場合、正確な相対距離の測定のみが行なわれる。
【００３８】
マイクロ干渉計１００はさらに、光検出器１２０を含む。この実施の形態において、光検出器１２０は、基板１５２に平行且つその前部に設置することができる。図に示されるように、光検出器１２０は、一次又は三次等の、反射光の高次回折次数を受け取るように配置することができる。観察長さ、ｘ、は、変化し得るが、高次の回折次数が観察できるように適切に配置しなければならない。例えば、観察長さ、ｘ、は入射光ビーム１０１の波長によって変化することがある。光検出器は、最適な長さ方向の距離、例えば、３００μｍの位置に設置することができるが、これは波長によって変化することもある。
【００３９】
その他の実施の形態では、光検出器１２０は遠方に配置することもでき、回折光は適切に配置された光ファイバを介して受光される。さらに他の実施の形態において、導波管及び／又はミラーは、回折及び反射されたビームの方向を変化させることもある。この実施の形態において、上記のように、光検出器１２０は基板１５２に平行に配置される。これにより、１００乃至１０００μｍ台の比較的小さな空間が可能になる。
【００４０】
種々の光検出器１２０が従来から知られている。一般に、ミクロ機械加工用に構成され、所望の帯域幅を維持できる光検出器１２０はいずれも使用できる。使用可能な光検出器１２０の１つの具体例はシリコンＰ−Ｎ接合光ダイオードである。使用できる別のタイプは、Ｐ−I−N型光ダイオードである。使用される光検出器１２０は、処理速度と、応答度又は感度（入射光のワット当たりの光電流）用件によって異なる。例えば、シリコンの吸収が小さい場合の波長において、応答度を高めるために更に深い接合深度が要求されることがある。
【００４１】
同様に、光検出器１２０の形状は、その電気容量と走行時間を最小限にして検出帯域幅を増加させるために調整することができる。トランスインピーダンス増幅器等の一部の信号調整回路構成は、ノイズを最小限にするとともに寄生容量を低減させるために、光検出器１２０として同じ半導体基板上に実装させることもできる。総合エレクトロニクスを有するこれらの光検出器１２０は、光学通信応用を感知するために、ＤＣからＧＨｚの範囲の帯域幅で動作するように構成することができる。
【００４２】
プロセッサ１３０はマイクロ干渉計１００内に含まれるが、どちらかと言えばマイクロ干渉計１００に対し通信可能に結合され、外部構成要素であることが多い。プロセッサ１３０は、光検出器１２０によって受信される信号を処理できる電気的構成要素であれば、どんなタイプでもよい。同様に、ハードウェア、ソフトウェア、及び／又はファームウェアが適切な計算を正確に行なうために使用されることがある。例えば、パーソナルコンピュータが、絶対距離を生成するためにコンパイルされ計算されるデータにおける、光検出器１２０から受信された信号を処理するように構成することができる。比較的単純なディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を利用して計算を実施することもできる。プロセッサ１３０はまた、他の種々の計算を行なったり、さらに／あるいは較正、レーザ強度正規化、ディジタルフィルタリング、及び信号調整等の他の機能を実施することもできる。
【００４３】
マイクロ干渉計１００は、目標表面１１０に対する絶対距離（即ち、間隙厚さ）を測定することができる。好ましくは、目標表面１１０の反射率は０．５乃至１の範囲内にある。しかしながら、目標表面１１０の反射率が入射光ビーム１０１の波長に依存することを留意すべきである。その場合、目標表面１１０の反射率を最高値とするように特定の波長を有する光ビーム１０１が放射されるように、光源１４０を選択することができる。回折入射光ビーム１０１を焦点合わせすることに役立つ焦点深度の認識を加えることにより、マイクロ干渉計１００が絶対距離を測定できるようになる。そのため、この焦点合わせは、マイクロ干渉計１０１の方位分解能もさらに、向上させる。
【００４４】
作動中、入射光ビーム１０１が光源１４０から放射される。この実施の形態において、回折格子１５６は透明基板１５２の前部平面上に形成される。反射型回折格子１５６は入射光ビーム１０１の第１の部分１０４を反射する。入射光ビーム１０１の第２の部分１０２は回折格子１５６内を透過されて回折され、透明基板１５２を通して照射される。五次及び七次の光ビーム等の高次回折光ビーム１０３が回折され、その後、目標表面１１０から反射され、消失される。
【００４５】
入射光ビーム１０１の第２の部分１０２は、レンズ１５４によって決定されるように、特定の焦点距離に焦点合わせされる。焦点合わせによって得られる焦点深度を認識することは、一般に、図３に関して述べられた周期的なｃｏｓ2（２πｄ／λ）及び／又はｓｉｎ2（２πｄ／λ）関数の上にベル形状の分布を設定することによって絶対距離を決定することに有用である。このベル形状分布の主強度突出部は、およそλ／２では３ｄＢの幅を有する。この結果、光源１４０として使用されるＨｅＮｅレーザに対しおよそ０．３μｍの解像度が得られる。実際、ベル形状の曲線は、光検出器１２０が回折格子１５６の後部に十分な距離を置いて配置された場合に、レンズ１５４から得られる焦点深度の結果となる。しかしながら、実際には、光検出器１２０は一般に、回折格子１５６にさらに近く、例えば、１ｍｍだけ離れて配置されることになるので、真のベル形状の分布は実現されないことがある。とは言うものの、結果的に得られる曲線は依然として、既知であり決定できる、絶対距離の関数である。
【００４６】
入射光ビーム１０１の第２の部分１０２は目標表面１１０から反射され、マイクロ干渉計１００の方向に戻る。光検出器１２０は、第１の部分１０４と反射された第２の部分１０２を受光するように配置され、これらの部分は、移動距離の相違によって生じる光波の位相シフトにより干渉パターンを形成するように結合される。プロセッサ１３０は、干渉パターンの強度サイクルをカウントすることによって絶対距離を計算し、処理することができる。強度曲線はλ／２の周期性を有し、このため、基準深度からの距離がλ／２の精度で検出することができる。基準深度は、レンズ１５４の深度形状に対する強度から判断することができる。例えば、ピーク強度が１０％低減される地点が基準深度と解釈することができる。
【００４７】
解像度は、各強度サイクルの傾斜度を考慮すれば更に向上させることができ、サブナノメータ解像度による距離測定値をもたらす。λ／２よりも優れた解像度の絶対距離測定のために、各干渉サイクル内の強度の変動を用いることができる。この場合、図３に示される情報を用いて強度変化を距離に変換することもできる。
【００４８】
既述したように、目標表面１１０の振動等の、相対距離測定に対する感度は、目標表面１１０からの一定の距離において最大化される可能性がある。所与の例において、λ／８の奇数整数の倍数の距離において最大感度となる。干渉パターン１０４を受け取ると同時に、データをプロセッサ１３０によって処理して目標表面１１０までの絶対距離を決定することができる。レンズ１５４がない場合、相対距離しか測定することができない。それにも関わらず、この情報は、静電的駆動により回折格子フィンガ１５９の位置を適切に調整するために、コントローラ１７０に付与することができる。これらフィンガ１５９の位置を調整することによって、回折格子１５６と目標表面１１０との間の距離を、λ／８の奇数倍数に変更且つ設定することができる。静電的駆動の概念は、後に続く図面において更に詳細に説明される。
【００４９】
したがって、マイクロ干渉計１００は、高解像度の絶対距離測定値を提供することができる。そのためには、マイクロ干渉計１００の帯域幅が、プロセッサ１３０の電気的構成要素、ハードウェア、ソフトウェア等の処理機能によって制限される。別の利点として、マイクロ干渉計１００のサイズが非常に小さいことが考えられる。一般に最も重要なことは、長さ方向の寸法であり、この実施の形態では、約５００μｍであるが、レンズ１５４の前部から光検出器１２０までの１００乃至１０００μｍの範囲内であればよい。これは一例であり、長さ距離が、使用される特定の構成要素や、使用される構成や、一般的具体化によって大きく異なる可能性があることは留意すべきである。横方向の寸法は同様に比較的小さくすることができる。最も大きな要素は基板１５２であり、これは回折格子１５６及び／又はレンズ１５４よりわずかだけ長く、範囲内で変動可能であるが、一般には、１０λ乃至１０００λ台になる。これにより、種々のマイクロ干渉計１００をアレイ又はマトリックス構造に取り付けることが可能となる。
【００５０】
図５は、図４に記載されたものと同様のマイクロ干渉計１９０乃至１９２のアレイ２００を示す線図である。マイクロ干渉計のアレイ２００は、目標表面１１０の絶対距離を測定するように配置することができる。並行して作動するマイクロ干渉計１９０乃至１９２のアレイ２００は、同時により大きな領域を網羅することによって、高解像度での微小構造の画像化及び測定の速度を実質的に向上させることができる。
【００５１】
図に示すように、目標表面１１０は不整合的な形状を有し得る。図４で説明された原理を用いることにより、マイクロ干渉計１９０乃至１９２のアレイ２００は目標表面１１０までの絶対距離を適切に測定することができる。目標表面１１０の不整合性により、それぞれのマイクロ干渉計１９０乃至１９２は、相対距離測定の感度に対して最適化されないことがある。マイクロ干渉計１９０乃至１９２のそれぞれの反射型回折格子１５６のフィンガ１５９は、最大感度を実現するような配列になるように調整することができる。図１乃至図３に示される例において、これは、目標表面１１０までの距離がλ／８の奇数整数の倍数となるだろう。マイクロ干渉計１９０乃至１９２はそれぞれ、別個に作動される回折格子を有する。これにより、マイクロ干渉計１９０乃至１９２を、目標表面１１０にさらに接近して位置合わせすることが可能になる。
【００５２】
マイクロ干渉計１９０は、実質的に透明な基板１５２を含む、可変回折型マイクロ対物レンズ１５０を含む。この基板１５２は、アレイ２００内のマイクロ干渉計によって共用される。上述のように、３つのマイクロ干渉計１９０乃至１９２がアレイ２００に含まれるが、一般には、さらに多くの（例えば、１００乃至１０００個の）マイクロ干渉計が含まれることになり、同じ基板１５２を共有する可能性がある。概して、基板１５２は基板３０と同じでもよい。
【００５３】
図４に示されるように、マイクロ干渉計１９０はまた、干渉パターン１０４を受信することができる光検出器１２０を含む。図示されないが、別個の光源をそれぞれマイクロ干渉計１９０乃至１９２に適用することもできるが、どちらかと言えば、１つの光源を付与し、入射光を分配する手段、例えば、ビームスプリッタや透過型回折格子を使用することができる。
【００５４】
各回折格子１５６は異なる駆動レベルで作動されることができる。好ましい実施の形態では、静電的駆動が用いられ、このため異なる電位が印加される可能性がある。その結果は、目標表面１１０からのそれぞれの距離ｄ1、ｄ2、及びｄ3で示される。それぞれの距離は、まったく異なった、あるいは同じようなλ／８の奇数整数の倍数である。
【００５５】
アレイ２００を使用することは、可変反射型回折格子１５６の代替使用を示している。各回折格子１５６がλ／８の奇数整数の倍数の位置に配置される場合、回折格子を変形させるのに必要な電圧は既知である。この電圧から、目標表面１１０の形状特徴（トポロジー）が輪郭形成され、マッピングされる。
【００５６】
図６は、本発明の実施の形態による、可変回折格子６００を示す線図である。基板６１０の上に形成される回折格子６００の種々の図は、画像をより良く表示するために用いられる。回折格子６００は、この実施の形態では、均等間隔で配置される数個のビーム寸法のフィンガ６３０から構成される。既述したように、フィンガ６３０はまた、所与の方向に光を導光し、さらに／あるいは光を焦点合わせするようにして配置することもできる。この実施の形態において、フィンガ６３０は、導電性クロスビーム６３５によって相互に結合される。基板６１０の表面上の、フィンガ６３０の下方には、第２の導電性クロスビーム６２５によって結合される２つの電極６２０が形成されている。その他の実施の形態では、図７において後述されるように、個々の電極は、更なる柔軟性を許容する回折格子６００の各フィンガ６３０と位置合わせすることもできる。回折格子６００のフィンガ６３０は、可変距離６３１をおいて電極６２０上に配置することができる。静電的駆動時に、フィンガ６３０は電極６２０にさらに接近するように引き寄せられ、可変距離６３１が変化する。電位６４０は、電極６２０及びフィンガ６３０に印加される。この電位は、ＶDC部分６４１、及び／又はＶAC部分６４２を含み得る。電極６２０と回折フィンガ６３０との間の全体距離は、波長、λ、の台にあるので、フィンガ６３０を静電崩壊前に、多くてもλ／４まで移動させることができる。この動作範囲は、図３に示される曲線上のマイクロ干渉計の最初の位置とは関係なく検出感度が最適化できることを確保する。
【００５７】
かかる実施の形態において、相対距離６３１を変化させるために静電的駆動が用いられる。静電引力は、電圧６４０を２つの電極（即ち、電極６２０及びフィンガ６３０）間に印加することによって生成され、印加電圧６４０の二乗に比例するとともに、電極間の距離６３１に反比例する。このような既知の力と、回折格子フィンガ６３０の見かけ剛性により、基板６１０上の電極６２０と可動フィンガ６３０との間の距離６３１が予測され、その結果、調整される。
【００５８】
その他の実施の形態において、ミクロ機械加工に好適な異なる駆動方法、例えば、磁気駆動、を用いることができる。そのため、印加された電位は駆動を制御する手段として使用されるが、その他の駆動方法では、他の制御手段が使用できる。したがって、その他の駆動方法、及びその後に駆動を制御するための手段が利用できるので、本発明が本明細書に記載された方法のみに限定されるべきでないことを留意すべきである。
【００５９】
この実施の形態では、可変回折格子６００が基板６１０の後部平面の上部に形成される。したがって、入射光ビーム６０４が、基板６１０下側からその内部を通過して、回折格子６００に照射される。目標表面（図示せず）は回折格子６００の上方に配置されることになる。
【００６０】
作動中、入射光６０４が回折格子６００上に照射されると、光６０４の第１の部分が回折格子フィンガ６３０から直ちに反射される。この実施の形態において、これらフィンガは、アルミニウム等の反射性材料でコーティングされている。入射光６０４の第２の部分は回折格子６００内部を透過し、フィンガ６３０の辺りで目標表面に向かって回折される。第２の部分は目標表面から反射され、回折格子６００に戻って透過し、さらに基板６１０を透過し、ここで第２の部分は入射光６０４の第１の部分と干渉し始めて干渉パターン６０６を形成する。
【００６１】
干渉パターン６０６が光検出器（図示せず）等の光学受信装置によって受信されると、目標表面までの距離が計算できる。計算が行なわれると、コントローラ（図示せず）は相対距離６３１を変化させるために、電極６２０及びフィンガ６３０に電位６４０を印加することができ、その後、回折格子６３０から目標表面までの距離が変化する。この回折格子６００の位置変化は、入射光の第１及び第２の各部分の位相シフトを変化させることがある。一般に、入射光の第２の部分の位相変化は、第１の部分の位相シフトと比較して無視できるほど小さい。位相シフトは基本的に干渉パターン６０６をシフトさせるので、グラフ４５０（図３参照）の曲線４５３及び４５４に沿って有効に移動する。上述のように、感度はこれらの曲線の最大傾斜において最大にされ、そこでは奇数のｎλ／８である。電位６４０は、目標表面からλ／８の奇数整数の倍数の距離をおいて回折格子６３０を配置させるＶDCバイアスの働きをするＶDC部分６４１を含む。これにより、目標表面のその後の動作を測定する際の感度を最大にすることができる。そのため、ＶAC部分６４２は、最適化段階の際の較正信号の働きをするように電位６４０に付加されることができる。例えば、ＶDCバイアスは、ＡＣ信号周波数での回折光強度の変化が特定のＡＣ変位に対し最大になるまで変化可能である。
【００６２】
ＶAC部分６４２の別の潜在的に効果的な用途は、それを変調搬送周波数として使用することである。ＶAC部分６４２は、既知の周波数において回折格子フィンガ６３０を共振させることができ、周知の周波数ロック・イン技法を使用すると、ノイズ、例えば、１／ｆノイズを測定中にフィルタにより除去することができ、マイクロ干渉計の総合的性能を大きく向上させることができる。
【００６３】
図７は、本発明の実施の形態による可変回折格子６５０の別の実施の形態を示す線図である。この実施の形態において、回折格子６５０の個々のフィンガ６５１乃至６５ｎを、個々の専用電位６６１乃至６６ｎによって確実に変形させることができる。これにより、回折格子６５０の目的及び用途に柔軟性をもたせることが可能になる。
【００６４】
この実施の形態において、前述の実施の形態と同様に、回折格子６５０は基板６１０の上部に形成される。各フィンガ６５１乃至６５ｎは梁形状をしており、導電性クロスビーム６３５によって連結されている。前述の実施の形態とは異なり、専用電極６９１乃至６９ｎが、基板６１０上の個々のフィンガ６５１乃至６５ｎに沿って形成且つ配置され得る。電極６９１乃至６９ｎの各組は専用電位６６１乃至６６ｎに結合される。各対の電極６９１乃至６９ｎの配線は、光の透過を妨げないような方法で配置できる。
【００６５】
各電位６６１乃至６６ｎは、それぞれＶDC部分６７ｎと、ＶAC部分６８ｎとを含む。異なる周波数のＶAC信号を有することは有利であるといえる。さらに、アレイにおける個々のマイクロ干渉計に印加される交流電圧、ＶAC、は、アレイの異なる要素から生成される受信光学信号を識別するように、異なる周波数を有することができる。これにより、アレイ要素間の混信（クロストーク）を排除することができる。
【００６６】
作動中、専用電位６６１乃至６６ｎを使用して種々の異なる構成を実現することができる。その他の実施の形態では、交流電極、又は反対に、交流フィンガを共通電位に共に結合させることもできる。生成される干渉パターンを変化させる別の方法として、フィンガをずらせて配置させた回折格子が用いられる。例えば、第１のセットのフィンガが第２のセットのフィンガから横方向にλ／４の距離だけ離れて配置されるようなフィンガの千鳥形配列は、シナリオ１２に表示された状態からシナリオ１４における状態まで干渉パターンを変化させること（図２参照）に相当する動作を効果的に実行することができる。
【００６７】
一般に、多種多様の組み合わせを、同様に種々の機能を実行するように構成することができる。個別に各フィンガ６５１乃至６５ｎの位置を制御することによって、機能上に柔軟性を付加することができる。
【００６８】
図８は、本発明の実施の形態による随伴するマイクロ干渉計７０５の感度を最適化するためのシステム７００の概略図である。一般に、システム７００は、マイクロ干渉計７０５の構成要素の一部又はすべてを組み込むことができる。このシステムは、既述された駆動方法によって調整される可変回折格子７１０を含む。光が可変回折格子７１０を介して目標表面上に照射されると、干渉パターンが光検出器７２０によって生成、受信される。光検出器７２０は、受信された光強度を、プロセッサ７３０に供給可能なアナログ及び／又はディジタル信号に処理することができる。プロセッサは、変調器７３２及びコントローラ７３４を含み、回折格子７１０のフィンガを変形させるために可変回折装置７１０に供給される制御信号を生成するように構成される。一般的なフィードバック信号７４０は、回折格子７１０がマイクロ干渉計７０５の感度を最適化する位置にあるように、回折格子７１０を連続的に測定し、それに応じて該回折格子を調整するために用いることができる。同様に、フィードバック７４０は、回折格子７１０を変調させてノイズを解消し、さらに／あるいはマイクロ干渉計７０５を較正するために使用できる第２の変調信号を供給することができる。
【００６９】
プロセッサ７３０は、入力される信号の処理に必要とされる電気的構成要素の組み合わせでもよい。どちらかと言えば、プロセッサは、測定距離の計算、レーザ強度の正規化、ディジタル・フィルタリング、及び信号調整等の種々の機能を実行するように適切に構成することができる、ハードウェア、ソフトウェア、及び／又はファームウェアの組み合わせであるのがよい。プロセッサ７３０は、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、サーバ、又は一般に、任意のコンピュータ等の計算装置（図示せず）に設置することもでき、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ケーブルや、シリアルケーブル等を介してメモリ要素、及び同軸ケーブル等の、光検出器７２０から信号を受信するための手段に結合された少なくとも１つのマイクロプロセッサを含む。
【００７０】
この例示された実施の形態におけるフィードバック信号７４０は、可変回折格子７１０に少なくとも１つの電位を供給することができる。回折格子７１０がこのように構成される場合、図７において説明された実施の形態に示すような、１つ以上の電位を供給することができる。この実施の形態において、静電的駆動は好ましい駆動方法であるので、電位はフィードバック信号７４０を介して供給される。その他の実施の形態では、他の駆動方法が使用される場合、他の種々の信号及び／又は情報をフィードバック信号７４０を介して伝送することができる。
【００７１】
既述したように、電位は、ＶDC部分、及び／又はＶAC部分を含むことができる。ＶDC部分はコントローラ７３４によって生成することができる。ＶAC部分は、変調器７３２によって生成することができる。一般に、コントローラ７３４及び変調器７３２は、電位を生成する動作を実行するように構造的に構成される電気的構成要素から成る。コントローラ７３４及び変調器７３２はまた、それぞれの電位を生成するように構成されるハードウェア、ソフトウェア、及び／又はファームウェアの組み合わせによっても実現することができる。上記のように、他の実施の形態において、異なる駆動が用いられる場合、コントローラ７３４及び変調器７３２は異なるタイプの信号を生成することもできる。そのため、他の実施の形態では、コントローラ７３４及び／又は変調器７３２はプロセッサ７３０の外部に配置されることもあるが、プロセッサ７３０と通信するように構成することもできる。
【００７２】
図９は、本発明の実施の形態によるマイクロ干渉計の感度を最適化し、該マイクロ干渉計の総合的性能をさらに一般的に向上させるための方法９００を示すフローチャートである。
【００７３】
この方法９００は、目標表面までの距離を測定することから開始する（ステップ９０５）。一部の実施の形態において、目標表面までの相対距離が測定される。他の実施の形態では、目標表面までの絶対距離が測定される。さらに他の実施の形態においては、両方の測定が実行される。一般に、目標表面までの距離は、マイクロ干渉計における基準点、一般には回折格子に関連している。
【００７４】
マイクロ干渉計によって距離が測定されると、その距離が計算できるように測定データが処理される（ステップ９４０）。一般に、これはプロセッサによって実行することができるが、パーソナルコンピュータ等の計算装置を用いてもよい。プロセッサは、同様にデータで他の種々の機能を実行するように構成することができる。
【００７５】
データの計算前、又は計算後のいずれにおいても、マイクロ干渉計の可変回折格子のフィンガを作動させるために、測定及び／又は計算されたデータに基づいて制御信号が生成される（ステップ９５０）。フィンガが適切に作動されると、測定が再実行される。この手順は、フィードバック・ループが持続的に監視を行なう時に続行する。
【００７６】
前述の図面において十分に詳述したように、マイクロ干渉計の種々の実施の形態では、目標表面までの距離を正確に測定することができる。一般的な距離測定方法を簡略的に説明すると、まず、可変回折格子を介して入射光ビームが目標表面に照射される（ステップ９１０）。照射されると、干渉パターンが、可変回折格子からの反射光、及びこの回折格子を介して回折された目標表面からの反射光の建設的及び相殺的干渉によって発生し得る。光検出器はその干渉パターンを受信する（ステップ９２０）。受信されると、その光検出器と共に作動したり、又は光検出器に含まれる適切な電気的構成要素が干渉パターンの光の強度を測定する（ステップ９３０）。干渉パターンについては、次の計算で説明される。
【００７７】
測定された干渉パターンの強度や、処理済みの計算からは、適切な動作情報を伝送する電位を生成することができる。電位は、可変回折格子の選択されたフィンガをある所定の最適位置に変形させることのできるＤＣ部分を伝送する。このＤＣバイアスを選択されたフィンガ及び電極にわたって印加することによって、これらフィンガは変形され、その結果、マイクロ干渉計の感度を最適化することができる（ステップ９５４）。駆動時に、電位のＡＣ部分は、感度最適化の際に較正信号としての働きが可能であるように供給される。例えば、ＤＣバイアスは、ＡＣ信号周波数での回折光強度の変動が一定のＡＣ変位に対して最大になるまで変化可能である。ＡＣ信号はまた、フィンガを人の位置に対し既知の周波数に変調させる働きをすることもできる（ステップ９５２）。この結果、計算中に、周知の周波数ロックイン検出方法を用いて変調周波数でロックインすることができる。ノイズからの振動がこのように解消できるのは、本質的にこれらが変調されて除かれるからである。マイクロ干渉計の感度を向上させるともに、システムにおけるノイズを除去することは、マイクロ干渉計の性能を最適化することに役立つ。
【００７８】
マイクロ干渉計の種々の実施の形態を説明してきたが、今度は図１０に注意を向けられたい。図１０は、本発明による可変回折型対物レンズ１５０を製作する方法１０００を説明するためのものである。一般的方法１０００は、種々のフォトリソグラフィ及び／又は表面ミクロ機械加工技術で実施することができる。この方法１０００は素面の基板１００５から開始する。この実施の形態において、基板は平面であり、図１０は基板１００５の断面図を示している。基板１００５は上記のように、略透明であるので、光をその内部を通して照射させることができる。この実施の形態では、水晶を基板１００５として使用することができる。他の実施の形態において、サファイア、及び／又は異なるタイプのガラス等の材料を用いることもできる。さらに他の実施の形態では、非透明材料が使用される。但し、この場合、空隙（キャビティ）をバルクエッチング処理して基板内部を照射可能とするステップがさらに必要とされる。回折格子５２１内の透過を向上させるために、誘電体の反射防止層（図示せず）を基板１００５上に被着することもできる。この層は、基板５２１の材料に応じて窒化シリコン又は酸化シリコンから構成することもできる。
【００７９】
概して、まず第一に実行することは、基板１００５上に電極１００８を形成することである。これはまず、基板１００５上に第１のフォトレジスト（ＰＲ）層１００７を被着させることである。ＰＲ層１００７としては、一般によく用いられるポジ型又はネガ型のＰＲ材料であり、これらの多くは従来から知られている。電極１００８の特定の形状にパターン形成された第１のフォトマスクは、最も一般的には紫外線放射を含むフォトリソグラフィ法を用いてＰＲ層１００７をパターン形成するために使用することができる（ステップ（ａ））。電極１００８に使用される被着方法に応じて、明視野又は暗視野フォトマスク１００６を用いてＰＲ層１００７をパターン形成することができる。フォトマスク１００６は一般に、可変回折型マイクロ対物レンズ１５０の可変回折格子に対して電極１００８を成形することになる。この実施の形態において、２つの電極１００８は梁形状とされ、相互に平行に且つ回折格子に直交する方向に延びる。その他の実施の形態では、図７に示されるように、電極１００８は梁形状でないこともあるし、ばらばらであることもある。この場合、電極１００８は、それぞれの回折格子フィンガのすぐ下側で位置合わせされるように設計される。
【００８０】
パターン形成が行なわれると、導電性材料がＰＲ層１００７及び基板１００５上に被着され、電極１００８を形成することができる（ステップ（ｂ））。ＰＲ層１００７が除去されると、電極１００８が残る。上記のように、導電性材料は種々様々である。例えば、アルミニウム、金、銀等が用いられる。あるいはまた、後処理の際に低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）等の高温処理が用いられる場合に、導電的にドープされたポリシリコンを使用することもできる。さらなる別の実施の形態において、透明な導電層として酸化インジウム・スズを使用することもできる。電極１００８はパターン形成と同時に結合されたり、電極クロスビーム６２５（図６参照）を付与するために別途のステップが要求されることもある。
【００８１】
次のステップでは、電極１００８から初期の間隙距離をおいて回折格子フィンガ５２１を形成する。これは、電極１００８の上部に犠牲ＰＲ層５１５を被着させることによって達成することができる（ステップ（ｃ））。この犠牲層５１５は、低温蒸着又は熱成長酸化シリコンや、電極５１８及び回折格子フィンガ５２１の材料と適合する他の材料でもよい。回折格子フィンガ・フォトマスク１０１５は、既知のフォトリソグラフィ法を用いて犠牲ＰＲ層５１５をパターン形成するために使用される。ＰＲ層５１５の露光部分を除去すると、チャネルが残る（ステップ（ｄ））。
【００８２】
この実施の形態において、フィンガ５２１は均等間隔に配置され、同じくらいのサイズである。他の実施の形態において、フィンガ５２１は、特定の方向に光ビームを導光し、さらに／あるいは光を焦点合わせするように離間配置され構成される。いずれの場合においても、フォトマスク１０１５は、フィンガ５２１の特定の間隔及び／又はサイズ要件を許容するように構成することができる。
【００８３】
種々異なるフォトリソグラフィ法が従来から周知であり、紫外線放射が使用可能な放射線の一例にすぎないことを留意すべきである。本発明を特定のフォトリソグラフィ法と同様、特定のタイプの放射線に限定することは、本明細書の意図するところではない。
【００８４】
反射型回折格子フィンガ５２１は、アルミニウム、金、銀等の薄膜（０．１乃至２μｍの）金属層１０２０のリフトオフ方式又はスパッタリング方法を用いて基板１００５及びＰＲ層５１５上に被着させることができる（ステップ（ｅ））。好ましい実施の形態において、反射性材料１０２０はアルミニウムであるが、上述のような他の種々の材料を用いることもできる。
【００８５】
別の方法として、回折格子フィンガ５２１に対して多層構造を用いることもできる。例えば、最初に窒化シリコン等の構造層が被着される。さらに、この層は、反射性を付与するために、アルミニウム等の薄膜金属層がコーティングされる。
【００８６】
第２のＰＲ層１０１１が除去されると（ステップ（ｆ））、変形可能な反射型回折格子フィンガ５２１が基板１００５上に形成される。回折格子フィンガ５２１はパターン形成によって端部を結合して形成されたり、あるいは、クロスビーム６３５を形成するために別途のステップが必要とされることもある。同様に、回折格子フィンガ５２１を基板１００５上に付着させるために必要とされる材料を同じように形成することもできる。一般に、これらは回折格子の周囲に配置されるので、光の透過を阻止する上に、フィンガ５２１の動作を妨げるものではない。これにより概略的に、可変回折格子を基板１００５上に形成することを完了する。
【００８７】
可変回折型マイクロ対物レンズ１５０を製造するための次のステップは、基板１００５上にマイクロレンズ１０３７を形成することである。方法５０４はステップ（ｇ）に移り、第３のＰＲ層１０３５が基板１００５上に配置される。この実施の形態において、ＰＲ層１０３５、及びその後のマイクロレンズ１０３７が可変回折格子の反対側に置かれる。マイクロレンズ１０３７に対して構成される第３のフォトマスク１０３０は第３のＰＲ層１０３５上に置かれる。ＰＲ層１０３５には、第３のフォトマスク１０３０を介して紫外線放射があてられる。ＰＲ層１０３５の露光部分を除去すると（ステップ（ｈ））、ＰＲ層１０３５の円形領域１０３６が基板１００５上に残る。最終ステップでは、この円形領域に熱が加えられてマイクロレンズ１０３７を形成する。他の実施の形態において、バイナリーレンズを用いるような異なる製造方法、又はエンボス加工方法を用いて、マイクロレンズ１０３７を平面基板１００５上に形成することができる。
【００８８】
上記方法５０４が、可変回折格子１５６と、その後の可変回折型マイクロ対物レンズ１５０を構成するために使用できる種々のステップを開示することは留意すべきである。これらステップのいずれか１つ又はすべては、使用される材料や、前ステップ及び／又は後ステップ等の、種々の要因に応じて別の方法に置き換えることもできる。例えば、２枚の透明基板を使用して、一方は可変回折格子１５６を形成し、他方は、マイクロレンズ１０３７を形成するためにそれぞれ使用することもできる。１枚のモノリシック基板１００５を形成するために、これら２枚の基板を１つに形成することもできる。
【００８９】
注意すべき重要なことは、記載された要素の寸法である。可変回折型マイクロ対物レンズ１５０は、前述の図及び／又は他の実施の形態において説明されたようなマイクロ干渉計に使用される。一般に、それに関わらず、要素の寸法は極めて小さい。例えば、基板１００５の横寸法は、０．１ｍｍ乃至２ｍｍの範囲内にある。フィンガ５２１の幅は、およそ入射光ビームの波長程度である。
【００９０】
本発明の上記実施の形態が可能な実施の例にすぎず、本発明の原理を明確に理解するために示されたにすぎないことを重要視すべきある。本発明の精神及び原理から実質的に逸脱することなく、多くの変更や修正を上記実施の形態に対し行なうことができる。このような修正及び変更のすべては、本発明の範囲内に含まれ、添付する特許請求の範囲によって保護されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】マイクロ干渉計において回折格子を用いてビームを分割する概念を示す線図である。
【図２】図１に示された方法を用いて種々の間隙厚さを有する観察面上で測定される反射光の分布を示すグラフである。
【図３】図１に示された方法を用いて種々の回折次数の正規化強度対間隙厚さを示すグラフである。
【図４】本発明によるマイクロ干渉計の実施の形態を示す線図である。
【図５】本発明の実施の形態によるマイクロ干渉計のアレイを示す線図である。
【図６】本発明の実施の形態による可変回折格子を示す線図である。
【図７】本発明の実施の形態による可変回折格子の別の実施の形態を示す線図である。
【図８】本発明の実施の形態による随伴するマイクロ干渉計の感度を最適化するためのシステムを示す概略図である。
【図９】本発明の実施の形態によるマイクロ干渉計の感度を最適化し、その総合性能を更に一般的に向上させるための方法を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施の形態による可変回折型マイクロ対物レンズを製造するための方法を示すフローチャートである。
【図１】
2005512018.tif 000003
【図２】
2005512018.tif 000004
【図３】
2005512018.tif 000005
【図４】
2005512018.tif 000006
【図５】
2005512018.tif 000007
【図６】
2005512018.tif 000008
【図７】
2005512018.tif 000009
【図８】
2005512018.tif 000010
【図９】
2005512018.tif 000011
【図１０】
2005512018.tif 000012
【国際調査報告】
2005512018.tif 000013