(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータにより探針を対象物に対して相対的に走査し、
所定の接触力になるまで前記探針を対象物に対して接触させ、
光源からの光を偏光素子にて前記偏光素子を透過する第１の光と前記偏光素子に反射される第２の光に分離し、
前記第１の光を前記アクチュエータに照射し、
前記アクチュエータからの反射光と前記第２の光を前記偏光素子にて合成させ、前記合成された光に同一平面上にて複数の光位相差を生じさせて干渉光を生じさせ、
前記干渉光に同一平面上にて複数の光位相差を生じさせ、前記探針の位置を求めることを特徴とする表面測定方法。
【請求項２】
偏光素子アレイにより前記アクチュエータからの反射光と前記第２の光との間に複数の光位相差を生じさせることを特徴とする請求項１記載の表面計測方法。
【請求項３】
前記偏光素子アレイは、フォトニック結晶アレイで構成されたことを特徴とする請求項２記載の表面計測方法。
【請求項４】
前記光源からの光を第１の光と第２の光に分離する方法は、回折偏光素子によることを特徴とする請求項１記載の表面計測方法。
【請求項５】
前記光源からの光を第１の光と第２の光に分離する方法は、フォトニック結晶によることを特徴とする請求項１記載の表面計測方法。
【請求項６】
探針と、
前記探針を前記対象物に対して相対的に走査し、前記探針を前記対象物に対して接触させるアクチュエータと、
前記探針と前記対象物との間の接触力を検出する４分割ポジションセンサと、
光源と、
光源からの光を第１の光と第２の光とに分離する分離手段と、
前記分離手段を透過し、前記アクチュエータで反射した前記第1の光と前記分離手段で反射した第２の光との間に同一平面上にて複数の光位相差を生じさせて干渉光を生じさせる干渉手段と、
前記干渉光から前記探針の位置を求める検出手段とを備えたことを特徴とする表面計測装置。
【請求項７】
前記干渉手段は、偏光素子アレイであることを特徴とする請求項６記載の表面計測装置。
【請求項８】
前記偏光素子アレイは、フォトニック結晶アレイで構成されたことを特徴とする請求項７記載の表面計測装置。
【請求項９】
前記分離手段は、回折偏光素子によることを特徴とする請求項６記載の表面計測装置。
【請求項１０】
前記分離手段は、フォトニック結晶によることを特徴とする請求項６記載の表面計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面計測方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物の変位量あるいは移動量を計測する方法として、光干渉を用いる方法が広く知ら
れている。例えば、微細立体形状の計測ツールとして知られる走査プローブ顕微鏡（ＳＰ
Ｍ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）の一種である原子間力顕微
鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）において、探針の位置
を計測する変位センサとして、従来の静電容量センサに変わり、より微小な変位を高感度
に測定できる手段として、非特許文献１に開示されているような光干渉を用いた変位セン
サが適用されようとしている。この光干渉変位センサでは、レーザ光源からのレーザ光を
２つに分けて、一方を参照ミラーに照射し、他方を探針走査機構に装着したターゲットミ
ラーに照射し、両反射光（参照光と測定光）の間に０、π／２、π、３π／２の位相差を
設けた上で干渉させ、生じた４つの位相シフト干渉光を受光して電気信号に変換した後、
４つの位相シフト干渉信号に所望の演算処理を施し探針の移動量を求める。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】半導体ＭＩＲＡＩプロジェクト  リソグラフィ関連計測技術ワークショップ（2004年10月19日）資料，p.28 （2004）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した光干渉変位センサでは、参照光と測定光の間に０、π／２、π
、３π／２の位相差を設ける方法として、参照光と測定光を合成するためのプリズムと、
合成光を２つの光路に分離するための無偏光ビームスプリッタと、２つの光路中の合成光
を構成する参照光と測定光の間に位相シフトを与えるための２つの偏光ビームスプリッタ
を用いているため、光学系全体が大きくなり、光干渉変位センサが大形化し適用対象が限
定されるという問題を抱えていた。
【０００５】
このため、半導体製造工程などの量産ラインに適用するＡＦＭに、従来の静電容量セン
サに比べこのように大形の光干渉変位センサをｘ、ｙ、ｚ軸用に３台搭載することは不可
能に近かった。さらに、位相シフトが与えられた４つの干渉光の光路が互いに離れている
ため、４つの光路に異なる温度分布、湿度分布、気圧分布、密度分布、気流変化などの外
乱が重畳されると、４つの位相シフト干渉信号から対象物の移動量を求める演算処理の際
の誤差となってしまうという本質的な問題を抱えていた。
【０００６】
そこで本発明では、少なくとも４つの位相シフト干渉光を大形の光学系を用いることな
く生成可能とし、対象物の変位量あるいは移動量を外乱の影響なく高精度に求めることが
可能な変位計測方法とその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明では、表面計測装置を、探針と、前記探針を前記対象物に対して相対的に走査し、前記探針を前記対象物に対して接触させるアクチュエータと、前記探針と前記対象物との間の接触力を検出する４分割ポジションセンサと、光源と、光源からの光を第１の光と第２の光とに分離する分離手段と、前記分離手段を透過し、前記アクチュエータに反射した前記第1の光と前記分離手段で反射した第２の光との間に同一平面上にて複数の光位相差を生じさせて干渉光を生じさせる干渉手段と、前記干渉光から前記探針の位置を求める検出手段とを備えて構成した。
【０００８】
また、本発明では、前記対象物からの反射光と該第２の光との間に同一平面上で複数の
光位相差を生じさせて干渉せしめて複数の干渉光を生じさせる干渉手段は、偏光素子アレ
イで構成した。
【０００９】
また、本発明では、前記偏光素子アレイは、フォトニック結晶アレイで構成した。
【００１０】
また、本発明では、前記光源からの光を第１の光と第２の光に分離する方法は、回折偏
光素子で構成した。
また、本発明では、前記光源からの光を第１の光と第２の光に分離する方法は、フォトニ
ック結晶で構成した。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、少なくとも４つの位相シフト干渉光を大形の干渉計を用いることなく
極めて小形の光干渉変位センサで生成可能となり、対象物の変位量あるいは移動量を外乱
の影響なく高精度に求めることが可能となるばかりか、適用対象も大幅に拡大する。その
結果、サブナノメートル以下の精度で、ＡＦＭを始めとする走査プローブ顕微鏡の探針走
査が可能となり、サブナノメートル以下の分解能でかつ高い再現性で、半導体デバイスを
始めとする微細な立体構造素子の光学情報や微小凹凸情報の測定が可能になるという効果
を奏する。また、半導体ウェハや磁気ディスク、磁気ヘッド浮上面のサブナノメートル以
下の微小凹凸分布や微小凹凸欠陥の検査が可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１における光干渉変位センサの構成を示す斜視図とブロック図である。
【図２】回折偏光素子を用いた参照ミラーの構成と機能を示す斜視図である。
【図３】実施例１におけるフォトニック結晶を用いた位相シフト素子の構成を示す斜視図である。
【図４】フォトニック結晶を用いた参照ミラーと１／４波長板の構成を示す斜視図である。
【図５】実施例２におけるＡＦＭの概略の構成を示す斜視図とブロック図である。
【図６】実施例２におけるＡＦＭの探針のステップイン走査を示す試料断面及びカンチレバーの斜視図である。
【図７】実施例２におけるステップイン走査と探針−試料間接触力との関係を示すグラフである。
【図８】実施例３における表面凹凸欠陥検査装置の概略の構成を示す斜視図とブロック図である。
【図９】実施例４における光干渉変位センサの構成を示す斜視図とブロック図である。
【図１０】実施例４におけるフォトニック結晶を用いた位相シフト素子の構成を示す斜視図である。
【図１１】実施例４における分割形光電変換素子の受光面を示す正面図である。
【図１２】実施例５における光干渉変位センサの構成を示す斜視図とブロック図である。
【図１３】実施例５におけるフォトニック結晶を用いた位相シフト素子の構成を示す斜視図である。
【図１４】実施例５における分割形光電変換素子の受光面を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
波長以下の微細構造により入射光の偏光や透過・反射特性を制御できるフォトニック結
晶が近年注目されている。本発明は、このフォトニック結晶を利用して位相シフト干渉光
を生成し、対象物の変位量あるいは移動量を外乱の影響なく高精度に求めるものである。
【００１４】
本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明の第１の実施例を、図１〜図４に基づいて説明する。図１に示すように、本実施
例の光干渉変位センサは、図示しない光源ユニットと、センサユニット１００及び変位出
力ユニット７０から成る。
【００１６】
光源ユニットでは、例えば周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザからの波長６３２．８ｎｍの
直線偏光レーザ光を、偏波面保存ファイバ２で４５°の偏光方向でセンサユニット１００
に導光する。
【００１７】
センサユニット１００は、干渉計６００及び変位演算処理ユニット５０から成る。干渉
計６００では、偏波面保存ファイバ２から出射した４５°偏光をコリメータ３で平行光４
にし、さらにグラントムソンプリズムなどの偏光素子５を透過させ、透過光６をプリズム
ミラー７及び無偏光ビームスプリッタ８で反射させて、参照ミラー９に入射させる。参照
ミラー９は、図２に示すように、合成石英基板９ａ上にＡｌ等の金属材料で回折格子９ｂ
が形成された構成となっている。この回折格子に入射する４５°方向の偏光ビーム６はベ
クトル分解された２つの直交偏光成分から成り、回折格子の長手方向と平行なＳ偏光成分
２５ｓは回折格子で反射し、直交するＰ偏光成分２５ｐは回折格子を透過する。すなわち
、この回折格子は、いわゆる回折偏光素子（Ｗｉｒｅ  Ｇｒｉｄ  Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）
としての性質を示す。本実施例の場合、回折格子９ｂのピッチは１４４ｎｍ、線幅は６５
ｎｍ、高さは１６５ｎｍとした。
【００１８】
参照ミラー９で反射されたＳ偏光ビーム６ｒは参照光として用いる。透過したＰ偏光ビ
ーム６ｍは測定光として用いる。Ｐ偏光ビーム６ｍは１／４波長板１０を透過した後円偏
光となり、測定対象物３１上に載置されたターゲットミラー１２で反射され、再び１／４
波長板１０を透過後Ｓ偏光となり、参照ミラー９で反射され、１／４波長板１０を透過後
円偏光としてターゲットミラー１２で反射され、１／４波長板１０を透過後Ｐ偏光となり
、参照ミラー９を透過する。即ち、測定光６ｍは参照ミラー９とターゲットミラー１２と
の間の光路を２往復することになり、測定対象物３１の移動量３１ｄを２倍に拡大して検
出することになる。参照ミラー９で反射されたＳ偏光ビーム６ｒと透過したＰ偏光ビーム
６ｍは、直交偏光ビーム１４として合成され、無偏光ビームスプリッタ８を透過する。
【００１９】
この直交偏光ビーム１４は、迷光除去のための開口１３を通過した後、対向させた２つ
のピラミッド形状の四角錐プリズム１５ａ及び１５ｂにより、４つの直交偏光ビームビー
ム１７に分割される。ビーム分割の方法は、このようなプリズムに限定されるものではな
く、回折光学素子なども適用可能である。４つの直交偏光ビームビーム１７は、位相シフ
ト素子１８及び１９を透過することにより、直交偏光成分の間に、０、π／２、π、３π
／２の位相シフトが与えられた状態で偏光干渉し、４つの位相シフト干渉光２０が生成さ
れる。
【００２０】
位相シフト素子１８は、図３に示すように２分割され、下半分が合成石英１８ｄで構成
され、上半分はフォトニック結晶１８ｃで構成される。フォトニック結晶１８ｃは、拡大
図に示すように、合成石英基板１８ｃ１に入射光の波長よりも小さなピッチの水平方向の
ライン＆スペース状の回折格子を形成し、その上に屈折率の異なる誘電体薄膜１８ｃ２及
び１８ｃ３を積層して構成される。回折格子上に堆積した薄膜層の断面は、回折格子の凹
凸によって膜厚方向に三角波形の凹凸形状が維持される。薄膜材料としては、Ｓｉ、 Ｓ
ｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５が適用可能である。このような回折格子をベ
ースとする多層薄膜構造は、回折格子の方向を結晶軸方向とするフォトニック結晶となり
、多層薄膜間の回折、干渉作用により複屈折特性を示し、入射光の偏光や透過・反射特性
を制御することが可能となる（参照：(株)フォトニックラティス製品カタログ）。
【００２１】
入射光の波長及び得たい特性を考慮して、回折格子ピッチ、深さ、各薄膜の膜厚は制御
される。また、半導体素子製造に用いられるフォトリソグラフィ技術やスパッタリングな
どの膜付け技術を用いることにより、１枚の基板上に結晶軸方向の異なる偏光素子や波長
素子をアレイ状に形成できる点も大きな特徴である。フォトニック結晶１８ｃは１／４波
長板としての機能を有しており、太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図
１に示すように、４つの直交偏光ビーム１７のうちフォトニック結晶１８ｃを透過する２
つの直交偏光ビームに関して、２つの偏光成分の間にπ／２の位相差が生じる。一方、残
りの２つの直交偏光ビームは合成石英１８ｄを透過し、位相差は生じない。
【００２２】
位相シフト素子１９は、図３に示すように２分割され、左半分が４５°の結晶軸方向を
有するフォトニック結晶１９ａで構成され、右半分が逆向きの４５°の結晶軸方向を有す
るフォトニック結晶１９ｂで構成される。フォトニック結晶１９ａは、フォトニック結晶
１８ｃと同様、拡大図に示すように、合成石英基板１９ａ１に入射光の波長よりも小さな
ピッチの４５°方向のライン＆スペース状の回折格子を形成し、その上に屈折率の異なる
誘電体薄膜１９ａ２及び１９ａ３を積層して構成される。フォトニック結晶１９ｂの構造
も同様である。フォトニック結晶１９ａ及び１９ｂは偏光素子としての機能を有しており
、太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図１に示すように、４つの直交偏
光ビームビーム１７のうちフォトニック結晶１９ａを透過する２つの直交偏光ビームを構
成する２つの偏光成分と、フォトニック結晶１９ｂを透過する２つの直交偏光ビームを構
成する２つの偏光成分との間に、相対的にπの位相差が与えられた状態で、両偏光成分は
干渉する。
【００２３】
すなわち、位相シフト素子１８及び１９を透過した４つの直交偏光ビーム１７の各直交
偏光成分の間に、０、π／２、π、３π／２の位相シフトが与えられた状態で偏光干渉し
、４つの位相シフト干渉光２０が生成される。４つの位相シフト干渉光２０は、外乱光の
影響を避けるため、波長６３２．８ｎｍに透過中心波長を有する干渉フィルタ２１を透過
した後、フォトダイオードなどの４つの光電変換素子で２２で各々受光され、増幅器２３
で増幅された後、４つの位相シフト干渉信号４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄとして出力
される。
【００２４】
４つの位相シフト干渉信号４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄは、各々（数１）〜（数４
）で与えられる。
Ｉａ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ）      ・・・（
数１）
Ｉｂ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋π）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ−２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ）         ・・・
（数２）
Ｉｃ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋π／２）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｓｉｎ（４πｎＤ／λ）         ・・・
（数３）
Ｉｄ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋３π／２）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ−２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｓｉｎ（４πｎＤ／λ）       ・・・（
数４）
ここで、Ｉｍはプローブ光の検出強度、Ｉｒは参照光の検出強度、ｎは空気の屈折率、Ｄ
は測定対象物３１の移動量３１ｄ、λはレーザ光４の波長である。
【００２５】
変位演算処理ユニット５０では、（数５）に基づいて測定対象物３１の移動量Ｄが算出
されて、移動量信号６１として変位出力ユニット７０に表示される。
Ｄ＝（λ／４πｎ）ｔａｎ−１｛（Ｉｃ−Ｉｄ）／（Ｉａ−Ｉｂ）｝   ・・・（数
５）
本実施例では、参照ミラー９として回折偏光素子（Ｗｉｒｅ  Ｇｒｉｄ  Ｐｏｌａｒｉ
ｚｅｒ）を用いたが、前述の説明から明らかなように、図４に示すような水平方向に結晶
軸方向を有するフォトニック結晶９ｃを用いることも可能である。また、１／４波長板１
０も同様に、４５°方向に結晶軸方向を有すフォトニック結晶１０ｃを用いることも可能
である。また、干渉計６００をさらに簡素化するために、図３において位相シフト素子１
９をフォトニック結晶１９ａのみで構成し、（数１）及び（数３）で表される位相シフト
干渉信号４１ａ及び４１ｃを得て、この２つの干渉信号から測定対象物３１の移動量Ｄを
求めることも可能である。
【００２６】
図１から明らかなように、ターゲットミラー１２に向かう測定光６ｍと参照光６ｒの２
つのビームは、光源ユニットから出射されてセンサユニット１００に入射し、参照ミラー
９に至るまで、更に参照ミラー９から４つの光電変換素子２２で受光されるに至るまで、
完全に同一の光路を通る。即ち、共通光路形干渉計の構成となる。従って、仮に光路中に
空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動が生じたとしても、これ
らの外乱は両ビームに等しく影響を及ぼすため、両ビームが干渉した際にこれら外乱の影
響は完全に相殺され、干渉光は外乱の影響を受けない。
【００２７】
唯一、参照ミラー９とターゲットミラー１２との間の光路において測定光６ｍのみが存
在するが、例えば、走査プローブ顕微鏡等のストロークは高々数百ミクロン程度であるの
で、参照ミラー９とターゲットミラー１２との間隙は１ｍｍ以下に設定することが可能で
あり、このような微小間隙での外乱の影響は無視できる。また、レーザ光自身の強度変動
は、（数１）〜（数４）においてプローブ光検出強度Ｉｍ、参照光検出強度Ｉｒの変動と
なるが、変位演算処理ユニット５０における（数５）の中の減算処理及び除算処理により
相殺される。
【００２８】
さらに本実施例の光干渉変位センサでは、単純な構成で４つの直交偏光ビームを生成し
、かつアレイ状に配置した位相シフト素子により空間的に並列に４つの位相シフト干渉光
を生成し受光する構成となっているので、従来の位相シフト干渉計に比べ光学部品が大幅
に低減し、変位センサが格段に小形化するというメリットがある。具体的には干渉計６０
０の寸法を２０×１５×５０ｍｍ以下程度に縮小化可能である。また、４つの位相シフト
干渉光が近接した光路を通過するため、光路間に空気の揺らぎ等による温度分布、湿度分
布、気圧分布、密度分布、気流変化などの外乱が重畳されたとしても、その影響を最小限
に抑えることが可能になる。
【００２９】
以上より、本実施例の光干渉変位センサにより、温度、湿度、気圧、密度、音響振動と
いった環境因子を高精度に制御することなく、測定対象物の移動量や位置をサブナノメー
トルからピコメートル以下の精度で安定に計測することが可能である。
【実施例２】
【００３０】
本発明の第２の実施例を、図５〜図７に基づいて説明する。図５に示すように、本実施
例は、第１の実施例で示した光干渉変位センサをＡＦＭに搭載したものである。本実施例
におけるＡＦＭは、試料を載置してＸＹＺの３次元方向に移動可能なステージユニット７
００と、探針を走査して試料表面を計測するＡＦＭユニット８００、計測データからＡＦ
Ｍ画像を生成し、また全体を制御する信号処理・制御ユニット９００、及び試料上の被測
定部を観察し位置決めするためのモニタ光学系ユニット５００とを備えて構成される。
ステージユニット７００は、試料２００を載置してＸＹＺの３次元方向に移動可能なＸＹ
Ｚステージ３００とドライバ３０１とを備えている。試料２００はＸＹＺステージ３００
上に載置され、ドライバ３０１で駆動されてモニタ光学系ユニット５００で試料２００の
表面を観察しながら所望の測定位置に位置決めされる。
【００３１】
ＡＦＭユニット８００は、先端部にＨＤＣ（Ｈｉｇｈ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｃａｒｂｏｎ
）などで形成された探針１７０を固定したカンチレバー１６０、ＸＹＺ圧電素子アクチュ
エータ１５０、ドライバ１５１、探針１７０の位置（ＸＹＺ圧電素子アクチュエータ１５
０の位置）を測定するｘ、ｙ、ｚ軸用センサユニット１００ｘ、１００ｙ、１００ｚ、光
源ユニット１、光源ユニット１から直線偏光レーザ光を各光干渉変位センサに導光する偏
波面保存ファイバ２ｘ、２ｙ、２ｚ、カンチレバー１６０の背面にレーザ光（波長４０５
ｎｍ）１８５を照射する半導体レーザ１８０、カンチレバー１６０からの反射光を検出す
る４分割ポジションセンサ１９０、および半導体レーザ１８０を制御する駆動回路１８１
を備えている。ＸＹＺ圧電素子アクチュエータ１５０の表面には、光干渉変位センサのた
めのターゲットミラー１２ｘ（図示せず）、１２ｙ（図示せず）、１２ｚが装着されてい
る。
【００３２】
モニタ光学系ユニット５００は結像レンズと撮像カメラを備えており、撮像カメラで試
料２００表面の光学像を観察しながら、試料２００を載置したＸＹＺステージ３００をド
ライバ３０１で駆動して、試料２００の所望の測定位置を探針１７０の下に位置決めする
。
【００３３】
信号処理・制御ユニット９００の画像形成ユニット４１０では、４分割ポジションセン
サ１９０からの出力信号１９５に基づいて、ＸＹＺ圧電素子アクチュエータ１５０の位置
測定信号６１ｘ、６１ｙ、６１ｚを処理してＡＦＭ画像を生成する。画像形成ユニット４
１０で生成されたＡＦＭ画像は全体制御ユニット４２０に送られ、ディスプレイ等の出力
ユニット４３０の出力画面に表示される。
【００３４】
次に、光てこの原理を用いてＡＦＭ画像を測定する方法について説明する。ＡＦＭ画像
は、探針１７０と試料２００との間の接触力を一定に保ちながら、探針１７０を試料２０
０上を走査し、その時の探針１７０の移動量（ＸＹＺ圧電素子アクチュエータ１５０の移
動量）から求める。初めに、探針１７０と試料２００との間の接触力の求め方を説明する
。先端部に探針１７０が固定されたカンチレバー１６０の背面には、駆動回路１８１によ
って駆動された半導体レーザ１８０からのレーザ光（波長４０５ｎｍ）１８５が照射され
、その反射光が４分割ポジションセンサ１９０で受光される。ドライバ１５１でＸＹＺ圧
電素子アクチュエータ１５０を駆動してカンチレバー１６０を下降させ、先端部に固定さ
れた探針１７０を試料２００に接触させる。この状態でカンチレバー１６０を更に下降さ
せると、カンチレバー１６０の傾きが変化してカンチレバー１６０の背面に照射されてい
るレーザの反射方向が変化し、４分割ポジションセンサ１９０上のレーザ光の入射位置が
変化して４分割ポジションセンサ１９０からの出力信号１９５が変化する。この変化した
信号を、予め求めておいた４分割ポジションセンサ１９０からの出力信号とカンチレバー
１６０の傾きとの関係に基づく接触力のデータと比較して、接触力を求めることができる
。
【００３５】
次に、試料の表面を計測する手順について説明する。先ず、ＸＹＺステージ３００を駆
動して、試料２００の測定領域をカンチレバー１６０の先端部に取り付けられた探針１７
０の下部に位置決めさせる。次に、図６に示すように、試料２００の測定領域において、
探針１７０と試料表面２００ａとの接触の状態（接触力）を４分割ポジションセンサ１９
０からの出力信号でモニタしながら、カンチレバー１６０をＸＹＺ圧電素子アクチュエー
タ１５０により下降させていき（Ｚ方向走査１７５）、所定の設定接触力になった時点で
下降を停止する。
【００３６】
下降点１７６において探針１７０の位置（ＸＹＺ圧電素子アクチュエータ１５０の位置
）を光干渉変位センサ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚにより測定した後、カンチレバー１
６０を上昇させ（Ｚ方向走査１７７）、４分割ポジションセンサ１９０からの出力信号に
基づいて、探針１７０が完全に試料２００から離脱したならば、測定領域の計測が終了し
たか否かを判定し、終了していない場合にはＸＹＺ圧電素子アクチュエータ１５０を駆動
してカンチレバー１６０を次の測定点に移動させる（Ｘ走査１７８）。Ｘ走査における移
動量（送りピッチ）は、観察において必要とする分解能に応じて決められる。次の測定点
において、再度カンチレバー１６０を下降させ、探針１７０の位置の測定を行う。
【００３７】
以上のステップイン動作を、ＸＹＺ圧電素子アクチュエータ１５０により２次元の測定
領域（ＸＹ領域）に渡って繰り返し行った後、測定を完了する。ここで、上記２次元の測
定領域を測定する方法は、テレビにおけるラスタスキャンと同じように走査する。このと
きのＹ方向への送りピッチ（隣り合う走査の間隔）は、観察において必要とする分解能に
応じて決められる。
【００３８】
ドライバ１５１によって駆動されるＸＹＺ圧電素子アクチュエータ１５０のＸＹＺ方向
走査、ＸＹＺステージ３００による試料２００の位置決めは、信号処理・制御ユニット９
００の走査制御ユニット４００により統括制御される。また探針１７０と試料２００との
接触力の制御、及び光干渉変位センサ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚによる探針１７０の
位置（ＸＹＺ圧電素子アクチュエータ１５０の位置）の測定は、総て信号処理・制御ユニ
ット９００中の全体制御ユニット４２０により統括制御される。走査制御ユニット４００
からＸＹＺ圧電素子アクチュエータ１５０のＸＹＺ走査信号が、また全体制御ユニット４
２０から探針１７０の位置測定信号が、各々画像形成ユニット４１０に送られ、２次元Ａ
ＦＭ画像が生成されて、全体制御ユニット４２０を介してディスプレイ等の出力ユニット
４３０に出力される。
【００３９】
ステップイン走査と探針−試料間接触力との関係を、図７に示す。接触力変化曲線１７
９に示すように、また探針１７０が上昇して試料２００から退避するに従い、接触力は押
し込み方向から引き込み方向に以降し、試料から離脱する瞬間に引き込み力は最大となる
。離脱後、次の測定点に移動し再び試料に接近する間は、接触力をまったく受けない状態
となる。探針１７０が再び接近し始め、試料２００に接触した瞬間に押し込み方向の力が
加わり、設定接触力に達した時点で、カンチレバー１６０は下降を停止する。設定接触力
は１ｎＮ以下、好ましくは、サブｎＮ〜ｐＮで実行することが望ましい。尚、接触力の検
知は、上記光てこ方式に限定されるものではなく、別途設けた圧電素子アクチュエータよ
りカンチレバーをサブナノメートルオーダの振幅、ＭＨｚオーダの周波数でＺ方向に微小
振動させ、振動振幅あるいは振動周波数の変化から、検知することも可能である。
【００４０】
また、本発明は、ステップイン走査ＡＦＭに限定されるものではなく、タッピング走査
他のＡＦＭにおける探針位置の測定にも適用可能である。また、本発明はＡＦＭに限定さ
れるものではなく、その他の走査プローブ顕微鏡、例えばＳＮＯＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  
Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：近接場走査顕微鏡）や
ＳＴＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）などにおける
探針の位置計測・制御にも適用可能である。
【００４１】
図５に示すように、本実施例によれば、第１の実施例で示した小形の光干渉変位センサ
をＡＦＭに搭載して探針の位置の測定を行うことができるため、第１の実施例と同様の効
果が得られ、探針の位置をサブナノメートルからピコメートル以下の精度で安定に計測す
ることが可能である。その結果、２次元ＡＦＭ画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を
飛躍的に向上させることが可能となる。
【実施例３】
【００４２】
本発明の第３の実施例を、図８に基づいて説明する。図８に示すように、本実施例は、
第１の実施例で示した光干渉変位センサを表面凹凸欠陥検査装置に搭載したものである。
本実施例における表面凹凸欠陥検査装置は、試料を載置してＸＹＺの３次元方向に走査可
能なステージユニット１０００と、探針を相対的に走査して試料表面を検査する表面検査
ユニット１１００、計測データから欠陥検出画像を生成し、また全体を制御する信号処理
・制御ユニット１２００、及び試料上の被検査部を観察し位置決めするためのモニタ光学
系ユニット５００とを備えて構成される。
【００４３】
ステージユニット１０００は、試料２１０を載置してＸＹＺの３次元方向に走査可能な
ＸＹＺステージ３５０とドライバ３５１とを備えている。試料２１０はＸＹＺステージ３
５０上に載置され、ドライバ３５１で駆動されてモニタ光学系ユニット５００で試料２１
０の表面を観察しながら所望の検査位置に位置決めされた後、ＸＹ方向に走査されて表面
凹凸の検査が実行される。
【００４４】
表面検査ユニット１１００は、試料２１０表面の凹凸状態を検査する光干渉変位センサ
１００、集光レンズ２１５、光源ユニット１、光源ユニット１から直線偏光レーザ光を光
干渉変位センサ１００に導光する偏波面保存ファイバ２を備えている。光源ユニットには
例えば、波長５３２ｎｍの固体レーザが使用される。光干渉変位センサ１００の構成と機
能は第１の実施例と同一であるので、説明を省略する。光干渉変位センサ１００から出射
された測定光６ｍは、集光レンズ２１５により試料２１０の表面上に集光される。集光レ
ンズ２１５のＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ：開口数）を０．８とすると
、集光スポット径は約０．８μｍとなる。尚、試料２１０のＸＹ走査中にこのスポット径
を維持するため、必要に応じて図示しない自動焦点ユニットを設ける場合がある。
【００４５】
モニタ光学系ユニット５００は結像レンズと撮像カメラを備えており、撮像カメラで試
料２１０表面の光学像を観察しながら、試料２１０を載置したＸＹＺステージ３５０をド
ライバ３５１で駆動して、試料２１０の所望の検査位置を、予め記憶しておいた集光レン
ズ２１５の下に位置決めする。
【００４６】
信号処理・制御ユニット１２００の欠陥検出ユニット４６０では、光干渉変位センサ１
００の測定信号６１、２３０とＸＹＺステージ３５０のＸＹ駆動信号に基づいて、表面凹
凸画像を生成する。さらに、欠陥検出ユニット４６０では、予め設定しておいた高さ以上
の凹凸を有する欠陥が抽出されて、表面凹凸画像と共に全体制御ユニット４７０に送られ
、ディスプレイ等の出力ユニット４８０の出力画面に表示される。
【００４７】
次に、試料２１０の表面の凹凸状態を検査する手順について説明する。先ず、表面検査
ユニット１１００をモニタ光学系ユニット５００の光軸上から退避させておき、ＸＹＺス
テージ３５０を駆動して、試料２１０の検査領域を、予め記憶しておいた集光レンズ２１
５の下部に位置決めさせる。次に、図８に示すように、表面検査ユニット１１００をモニ
タ光学系ユニット５００の光軸上に移動させた後、ＸＹＺステージ３５０をＸＹ方向に駆
動して、テレビにおけるラスタスキャンと同じように試料２１０を走査する（Ｘ方向は連
続走査）。このときのＹ方向への送りピッチ（隣り合う走査の間隔）は、検査において必
要とする分解能に応じて決められる。（数５）に基づいて各走査位置における試料２１０
の表面凹凸量Ｄが算出され、凹凸測定信号６１、２３０として出力されるので、ＸＹＺス
テージ３５０のＸＹ走査信号と測定信号６１、２３０から検査領域の表面凹凸画像を生成
することができる。
【００４８】
ＸＹＺステージ３５０による試料２１０の位置決めと検査のためのＸＹ走査は、信号処
理・制御ユニット１２００の走査制御ユニット４５０により統括制御される。また光干渉
変位センサ１００による試料２１０表面の検査は、信号処理・制御ユニット１２００中の
全体制御ユニット４７０により統括制御される。走査制御ユニット４５０からＸＹＺステ
ージ３５０のＸＹ走査信号が、また全体制御ユニット４７０から光干渉変位センサ１００
の測定信号６１、２３０が、各々欠陥検出ユニット４６０に送られ、表面凹凸画像が生成
されると共に、予め設定しておいた高さ以上の凹凸を有する欠陥が抽出されて、全体制御
ユニット４７０を介してディスプレイ等の出力ユニット４８０に出力される。
【００４９】
図８に示すように、本実施例によれば、第１の実施例で示した小形の光干渉変位センサ
によって試料表面の凹凸欠陥を検査することができるため、第１の実施例と同様の効果が
得られ、試料表面の凹凸欠陥をサブナノメートルからピコメートル以下の感度で安定に計
測することが可能である。その結果、例えば、半導体ウェハや、磁気ディスク、磁気ヘッ
ド浮上面などの凹凸欠陥検査の感度を飛躍的に向上させることが可能となる。
【実施例４】
【００５０】
本発明の第４の実施例を、図９〜図１１に基づいて説明する。図８に示すように、本実
施例の光干渉変位センサは、図示しない光源ユニットと、センサユニット１００及び変位
出力ユニット７０から成る。
【００５１】
光源ユニットでは、例えば周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザからの波長６３２．８ｎｍの
直線偏光レーザ光を、偏波面保存ファイバ２で４５°の偏光方向でセンサユニット１００
に導光する。
【００５２】
センサユニット１００は、干渉計６００及び変位演算処理ユニット５１から成る。干渉
計６００では、第１の実施例と同様、偏波面保存ファイバ２から出射した４５°偏光をコ
リメータ３で平行光４にし、さらにグラントムソンプリズムなどの偏光素子５を透過させ
、透過光６をプリズムミラー７及び無偏光ビームスプリッタ８で反射させて、参照ミラー
９に入射させる。参照ミラー９は、図２に示すように、合成石英基板９ａ上にＡｌ等の金
属材料で回折格子９ｂが形成された構成となっている。この回折格子に入射する４５°方
向の偏光ビーム６はベクトル分解された２つの直交偏光成分から成り、回折格子の長手方
向と平行なＳ偏光成分２５ｓは回折格子で反射し、直交するＰ偏光成分２５ｐは回折格子
を透過する。すなわち、この回折格子は、いわゆる回折偏光素子（Ｗｉｒｅ  Ｇｒｉｄ  
Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）としての性質を示す。本実施例の場合、回折格子９ｂのピッチは１
４４ｎｍ、線幅は６５ｎｍ、高さは１６５ｎｍとした。
【００５３】
参照ミラー９で反射されたＳ偏光ビーム６ｒは参照光として用いる。透過したＰ偏光ビ
ーム６ｍは測定光として用いる。Ｐ偏光ビーム６ｍは１／４波長板１０を透過した後円偏
光となり、測定対象物３１上に載置されたターゲットミラー１２で反射され、再び１／４
波長板１０を透過後Ｓ偏光となり、参照ミラー９で反射され、１／４波長板１０を透過後
円偏光としてターゲットミラー１２で反射され、１／４波長板１０を透過後Ｐ偏光となり
、参照ミラー９を透過する。即ち、測定光６ｍは参照ミラー９とターゲットミラー１２と
の間の光路を２往復することになり、測定対象物３１の移動量３１ｄを２倍に拡大して検
出することになる。参照ミラー９で反射されたＳ偏光ビーム６ｒと透過したＰ偏光ビーム
６ｍは、直交偏光ビーム１４として合成され、無偏光ビームスプリッタ８を透過する。
【００５４】
この直交偏光ビーム１４は、迷光除去のための開口１３を通過した後、回折光学素子や
ホログラム素子、あるいはアナモルフィックプリズムペアのようなビーム整形素子８０に
より、矩形状ビーム８１に変換される。この矩形状直交偏光ビーム８１は、位相シフト素
子８２、８３及び８４を透過することにより、直交偏光成分の間に、０、π／４、π／２
、３π／４、π、５π／４、３π／２、７π／４の位相シフトが与えられた状態で偏光干
渉し、８つの位相シフト干渉光８５が生成される。
【００５５】
位相シフト素子８２は、図１０に示すように２分割され、左半分が合成石英８２ｄで構
成され、右半分はフォトニック結晶８２ｃで構成される。フォトニック結晶８２ｃの構成
と原理は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。フォトニック結晶８２ｃは１
／８波長板としての機能を有しており、太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわ
ち、図９に示すように、矩形状直交偏光ビーム８１のうちフォトニック結晶８２ｃを透過
する直交偏光ビームに関して、２つの偏光成分の間にπ／４の位相差が生じる。一方、合
成石英８２ｄを透過する直交偏光ビームに関しては、２つの偏光成分の間に位相差は生じ
ない。
【００５６】
位相シフト素子８３は、図１０に示すように４分割され、左から合成石英８３ｄ、フォ
トニック結晶８３ｃ、合成石英８３ｄ、フォトニック結晶８３ｃが並んでいる。位相シフ
ト素子８２と同様、フォトニック結晶８３ｃは１／４波長板としての機能を有しており、
太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図９に示すように、矩形状直交偏光
ビーム８１のうちフォトニック結晶８３ｃを透過する直交偏光ビームに関しては、２つの
偏光成分の間にπ／２の位相差が生じる。一方、合成石英８３ｄを透過する直交偏光ビー
ムに関しては、２つの偏光成分の間に位相差は生じない。
【００５７】
位相シフト素子８４は、図１０に示すように８分割され、４５°の結晶軸方向を有する
フォトニック結晶８４ａと、逆向きの４５°の結晶軸方向を有するフォトニック結晶８４
ｂが交互に並んでいる。フォトニック結晶８４ａ及び８４ｂは偏光素子としての機能を有
しており、太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図９に示すように、矩形
状直交偏光ビーム８１のうちフォトニック結晶８４ａを透過する直交偏光ビームを構成す
る２つの偏光成分と、フォトニック結晶８４ｂを透過する直交偏光ビームを構成する２つ
の偏光成分との間に、相対的にπの位相差が与えられた状態で、両偏光成分は干渉する。
【００５８】
すなわち、位相シフト素子８２、８３及び８４を透過した矩形状直交偏光ビーム８１の
各直交偏光成分の間に、０、π／４、π／２、３π／４、π、５π／４、３π／２、７π
／４の位相シフトが与えられた状態で偏光干渉し、８つの位相シフト干渉光８５が生成さ
れる。８つの位相シフト干渉光８５は、外乱光の影響を避けるため、波長６３２．８ｎｍ
に透過中心波長を有する干渉フィルタ８６を透過した後、位相シフト素子８４の８つの領
域に対応した８つの受光領域から成る８分割フォトダイオードアレイなどの分割形光電変
換素子８７で各々受光され、増幅器８８で増幅された後、８つの位相シフト干渉信号８９
ａ、８９ｂ、８９ｃ、８９ｄ、８９ｅ、８９ｆ、８９ｇ、８９ｈとして出力される。図１
１に分割形光電変換素子８７の受光面を示す。受光領域８７ａ及び８７ｂがそれぞれ図１
０の位相シフト素子８４のフォトニック結晶８４ａ及び８４ｂに対応する。
【００５９】
４つの位相シフト干渉信号８９ａ、８９ｂ、８９ｃ、８９ｄ、８９ｅ、８９ｆ、８９ｇ
、８９ｈは、各々（数６）〜（数１３）で与えられる。
Ｉａ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ）    ・・・（数
６）
Ｉｂ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋π）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ−２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ）    ・・・（数
７）
Ｉｃ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋π／２）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｓｉｎ（４πｎＤ／λ）    ・・・（数
８）
Ｉｄ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋３π／２）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ−２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｓｉｎ（４πｎＤ／λ）    ・・・（数
９）
Ｉｅ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋π／４）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋（２Ｉｍ・Ｉｒ）１／２{ｃｏｓ（４πｎＤ／λ）−ｓｉｎ（４π
ｎＤ／λ）}                                                          ・・・（数
１０）
Ｉｆ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋５π／４）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ−（２Ｉｍ・Ｉｒ）１／２{ｃｏｓ（４πｎＤ／λ）−ｓｉｎ（４π
ｎＤ／λ）}                                                          ・・・（数
１１）
Ｉｇ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋３π／４）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋（２Ｉｍ・Ｉｒ）１／２{ｓｉｎ（４πｎＤ／λ）＋ｃｏｓ（４π
ｎＤ／λ）}                                                          ・・・（数
１２）
Ｉｈ＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋７π／４）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ−（２Ｉｍ・Ｉｒ）１／２{ｓｉｎ（４πｎＤ／λ）＋ｃｏｓ（４π
ｎＤ／λ）}                                                          ・・・（数
１３）
変位演算処理ユニット５１では、（数１４）に基づいて測定対象物３１の移動量Ｄが算
出されて、移動量信号６１として変位出力ユニット７０に表示される。
Ｄ＝（λ／４πｎ）ｔａｎ−１［｛２１／２（Ｉｇ−Ｉｈ）−（Ｉａ−Ｉｂ）｝／
｛２１／２（Ｉｅ−Ｉｆ）＋（Ｉｃ−Ｉｄ）｝］                        ・・・（数１
４）
本実施例では、参照ミラー９として回折偏光素子（Ｗｉｒｅ  Ｇｒｉｄ  Ｐｏｌａｒｉ
ｚｅｒ）を用いたが、第１の実施例と同様、図４に示すような水平方向に結晶軸方向を有
するフォトニック結晶９ｃを用いることも可能である。また、１／４波長板１０も同様に
、４５°方向に結晶軸方向を有すフォトニック結晶１０ｃを用いることも可能である。
【００６０】
図９から明らかなように、ターゲットミラー１２に向かう測定光６ｍと参照光６ｒの２
つのビームは、光源ユニットから出射されてセンサユニット１００に入射し、参照ミラー
９に至るまで、更に参照ミラー９から４つの光電変換素子２２で受光されるに至るまで、
完全に同一の光路を通る。即ち、共通光路形干渉計の構成となる。従って、仮に光路中に
空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動が生じたとしても、これ
らの外乱は両ビームに等しく影響を及ぼすため、両ビームが干渉した際にこれら外乱の影
響は完全に相殺され、干渉光は外乱の影響を受けない。唯一、参照ミラー９とターゲット
ミラー１２との間の光路において測定光６ｍのみが存在するが、例えば、走査プローブ顕
微鏡等のストロークは高々数百ミクロン程度であるので、参照ミラー９とターゲットミラ
ー１２との間隙は１ｍｍ以下に設定することが可能であり、このような微小間隙での外乱
の影響は無視できる。また、レーザ光自身の強度変動は、（数６）〜（数１３）において
プローブ光検出強度Ｉｍ、参照光検出強度Ｉｒの変動となるが、変位演算処理ユニット５
０における（数５）の中の減算処理及び除算処理により相殺される。
【００６１】
さらに本実施例の光干渉変位センサでは、単純な構成で８つの直交偏光ビームを生成し
、かつアレイ状に配置した位相シフト素子により空間的に並列に８つの位相シフト干渉光
を生成し受光する構成となっているので、従来の位相シフト干渉計に比べ光学部品が大幅
に低減し、変位センサが格段に小形化するというメリットがある。具体的には干渉計６０
０の寸法を２０×１５×５０ｍｍ以下程度に縮小化可能である。また、８つの位相シフト
干渉光が近接した光路を通過するため、光路間に空気の揺らぎ等による温度分布、湿度分
布、気圧分布、密度分布、気流変化などの外乱が重畳されたとしても、その影響を最小限
に抑えることが可能になる。さらに、本実施例では位相シフト量がπ／４と、第１の実施
例に比べて１／２になっているので、より精度の高い移動量Ｄの算出が可能である。
【００６２】
また、位相シフト素子８２、８３、８４の分割数、及び分割形光電変換素子８７の分割
数を増やすことで、さらに測定精度を向上させることが可能である。
【００６３】
以上より、本実施例の光干渉変位センサにより、温度、湿度、気圧、密度、音響振動と
いった環境因子を高精度に制御することなく、測定対象物の移動量や位置をサブナノメー
トルからピコメートル以下の精度で安定に計測することが可能である。また、本実施例の
光干渉変位センサを第２の実施例と同様に、図５に示すＡＦＭに搭載することにより、第
２の実施例と同様の効果が得られ、探針の位置をサブナノメートルからピコメートル以下
の精度で安定に計測することが可能である。その結果、２次元ＡＦＭ画像の分解能が向上
し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。
【００６４】
また、本実施例の光干渉変位センサを第３の実施例と同様に、図８に示す表面凹凸欠陥
検査装置に搭載することにより、第３の実施例と同様の効果が得られ、試料表面の凹凸欠
陥をサブナノメートルからピコメートル以下の感度で安定に計測することが可能である。
その結果、例えば、半導体ウェハや、磁気ディスク、磁気ヘッド浮上面などの凹凸欠陥検
査の感度を飛躍的に向上させることが可能となる。
【実施例５】
【００６５】
本発明の第５の実施例を、図１２〜図１４に基づいて説明する。図１２に示すように、
本実施例の光干渉変位センサは、図示しない光源ユニットと、センサユニット１００及び
変位出力ユニット７０から成る。
【００６６】
光源ユニットでは、例えば周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザからの波長６３２．８ｎｍの
直線偏光レーザ光を、偏波面保存ファイバ２で４５°の偏光方向でセンサユニット１００
に導光する。
【００６７】
センサユニット１００は、干渉計６００及び変位演算処理ユニット５２から成る。干渉
計６００では、第１の実施例と同様、偏波面保存ファイバ２から出射した４５°偏光をコ
リメータ３で平行光４にし、さらにグラントムソンプリズムなどの偏光素子５を透過させ
、透過光６を回折光学素子やホログラム素子、あるいはアナモルフィックプリズムペアの
ようなビーム整形素子８０により、矩形状ビーム９１に変換する。矩形状ビーム９１をプ
リズムミラー７及び無偏光ビームスプリッタ８で反射させて、参照ミラー９に入射させる
。
【００６８】
参照ミラー９は、図２に示すように、合成石英基板９ａ上にＡｌ等の金属材料で回折格
子９ｂが形成された構成となっている。この回折格子に入射する４５°方向の矩形状偏光
ビーム６はベクトル分解された２つの直交偏光成分から成り、回折格子の長手方向と平行
なＳ偏光成分２５ｓは回折格子で反射し、直交するＰ偏光成分２５ｐは回折格子を透過す
る。すなわち、この回折格子は、いわゆる回折偏光素子（Ｗｉｒｅ  Ｇｒｉｄ  Ｐｏｌａ
ｒｉｚｅｒ）としての性質を示す。本実施例の場合、回折格子９ｂのピッチは１４４ｎｍ
、線幅は６５ｎｍ、高さは１６５ｎｍとした。
【００６９】
参照ミラー９で反射された矩形状Ｓ偏光ビーム６ｒは参照光として用いる。透過した矩
形状Ｐ偏光ビーム６ｍは測定光として用いる。矩形状Ｐ偏光ビーム６ｍは１／４波長板１
０を透過した後円偏光となり、集光レンズ２１５により試料２１０の表面上に直線状に集
光される（２１６）。集光レンズ２１５のＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ
：開口数）を０．８とすると、直線状集光スポット２１７のスポット幅（長手方向と直交
する方向）は約０．８μｍとなる。試料２１０表面からの反射光は集光レンズ２１５透過
後矩形状ビームとなり、再び１／４波長板１０を透過後Ｓ偏光となり、参照ミラー９で反
射され、１／４波長板１０を透過後円偏光として再度集光レンズ２１５により試料２１０
表面上に直線状に集光される（２１６）。
【００７０】
試料２１０表面からの反射光は集光レンズ２１５透過後矩形状ビームとなり、１／４波
長板１０を透過後Ｐ偏光となり、参照ミラー９を透過する。即ち、測定光６ｍは参照ミラ
ー９と試料２１０表面との間の光路を２往復することになり、試料２１０表面の凹凸量を
２倍に拡大して検出することになる。参照ミラー９で反射された矩形状Ｓ偏光ビーム６ｒ
と透過した矩形状Ｐ偏光ビーム６ｍは、矩形状直交偏光ビーム２１８として合成され、無
偏光ビームスプリッタ８を透過する。直線状集光スポット２１７の長手方向と矩形状直交
偏光ビーム２１８の長手方向とは共役関係にある。すなわち、矩形状Ｐ偏光ビーム６ｍに
は、この方向の試料２１０表面の凹凸分布情報が光位相分布として保存されている。
【００７１】
この矩形状直交偏光ビーム２１８は、位相シフト素子２１９及び２２０を透過すること
により、直交偏光成分の間に、０、π／２、π、３π／２の位相シフトが与えられた状態
で偏光干渉し、直線状集光スポット２１７の長手方向と直交する方向に分割された４つの
位相シフト干渉光２２１が生成される。
【００７２】
位相シフト素子２１９は、図１３に示すように直線状集光スポット２１７の長手方向と
直交する方向に２分割され、下半分が合成石英２１９ｄで構成され、上半分はフォトニッ
ク結晶２１９ｃで構成される。フォトニック結晶２１９ｃの構成と原理は第１の実施例と
同様であるので、説明を省略する。フォトニック結晶２１９ｃは１／４波長板としての機
能を有しており、太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図１２に示すよう
に、矩形状直交偏光ビーム２１８のうちフォトニック結晶２１９ｃを透過する直交偏光ビ
ームに関して、２つの偏光成分の間にπ／２の位相差が生じる。一方、合成石英２１９ｄ
を透過する直交偏光ビームに関しては、２つの偏光成分の間に位相差は生じない。
【００７３】
位相シフト素子２２０は、図１３に示すように直線状集光スポット２１７の長手方向と
直交する方向に４分割され、４５°の結晶軸方向を有するフォトニック結晶２２０ａと、
逆向きの４５°の結晶軸方向を有するフォトニック結晶２２０ｂが交互に並んでいる。フ
ォトニック結晶２２０ａ及び２２０ｂは偏光素子としての機能を有しており、太い矢印が
その結晶軸方向を示している。すなわち、図１２に示すように、矩形状直交偏光ビーム２
１８のうちフォトニック結晶２２０ａを透過する直交偏光ビームを構成する２つの偏光成
分と、フォトニック結晶２２０ｂを透過する直交偏光ビームを構成する２つの偏光成分と
の間に、相対的にπの位相差が与えられた状態で、両偏光成分は干渉する。
【００７４】
すなわち、位相シフト素子２１９及び２２０を透過した矩形状直交偏光ビーム２１８の
長手方向と直交する方向の各直交偏光成分の間に、０、π／２、π、３π／２、の位相シ
フトが与えられた状態で偏光干渉し、直線状集光スポット２１７の長手方向と直交する方
向に４分割され、かつ直線状集光スポット２１７の長手方向に共役な位相シフト干渉光２
２１が生成される。位相シフト干渉光２２１は、外乱光の影響を避けるため、波長６３２
．８ｎｍに透過中心波長を有する干渉フィルタ８６を透過した後、図１４に示すように、
直線状集光スポット２１７の長手方向と位相シフト素子２２０の４つの領域に対応したＮ
画素×４の受光領域から成るフォトダイオードアレイなどの分割形光電変換素子２２２で
各々受光され、増幅器２２３で増幅された後、Ｎ×４個の位相シフト干渉信号２２４とし
て出力される。
【００７５】
図１４に示すように、受光領域２２２ａ及び２２２ｂがそれぞれ図１３の位相シフト素
子２２０のフォトニック結晶２２０ａ及び２２０ｂに対応する。Ｎ画素分に対応した４つ
の位相シフト干渉信号は、第１の実施例と同様、各々（数１）〜（数４）で与えられ、変
位演算処理ユニット５２では、（数５）に基づいてＮ個の各画素毎に試料２１０の表面凹
凸量Ｄの１次元分布が算出されて、表面凹凸信号２３０として変位出力ユニット７０に表
示される。
【００７６】
本実施例では、参照ミラー９として回折偏光素子（Ｗｉｒｅ  Ｇｒｉｄ  Ｐｏｌａｒｉ
ｚｅｒ）を用いたが、第１の実施例と同様、図４に示すような水平方向に結晶軸方向を有
するフォトニック結晶９ｃを用いることも可能である。また、１／４波長板１０も同様に
、４５°方向に結晶軸方向を有すフォトニック結晶１０ｃを用いることも可能である。ま
た、第４の実施例と組み合わせて、位相シフト量をπ／８ずつに増やすことも可能である
。その場合は、分割形光電変換素子２２２は、２次元の固体撮像素子を用いることも可能
である。
【００７７】
図１２から明らかなように、試料２１０表面に向かう測定光６ｍと参照光６ｒの２つの
ビームは、光源ユニットから出射されてセンサユニット１００に入射し、参照ミラー９に
至るまで、更に参照ミラー９から光電変換素子２２２で受光されるに至るまで、完全に同
一の光路を通る。即ち、共通光路形干渉計の構成となる。従って、仮に光路中に空気の揺
らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動が生じたとしても、これらの外乱
は両ビームに等しく影響を及ぼすため、両ビームが干渉した際にこれら外乱の影響は完全
に相殺され、干渉光は外乱の影響を受けない。また、レーザ光自身の強度変動は測定光６
ｍと参照光６ｒに等しく影響するので干渉の際に相殺され、また測定された８つ位相シフ
ト干渉光にも等しく重畳されるため、変位演算処理ユニット５２における（数５）の中の
減算処理においても相殺される。
【００７８】
さらに本実施例の光干渉変位センサでは、単純な構成で４つの直交偏光ビームを生成し
、かつアレイ状に配置した位相シフト素子により空間的に並列に４つの位相シフト干渉光
を生成し受光する構成となっているので、従来の位相シフト干渉計に比べ光学部品が大幅
に低減し、変位センサが格段に小形化するというメリットがある。また、４つの位相シフ
ト干渉光が近接した光路を通過するため、光路間に空気の揺らぎ等による温度分布、湿度
分布、気圧分布、密度分布、気流変化などの外乱が重畳されたとしても、その影響を最小
限に抑えることが可能になる。
【００７９】
以上より、本実施例の光干渉変位センサにより、温度、湿度、気圧、密度、音響振動と
いった環境因子を高精度に制御することなく、測定対象物の移動量や位置をサブナノメー
トルからピコメートル以下の精度で安定に計測することが可能である。また、本実施例の
光干渉変位センサから変位出力ユニット７０を撤去した上で、第３の実施例と同様に図８
に示す表面凹凸欠陥検査装置に搭載することにより、第３の実施例と同様の効果が得られ
、試料表面の凹凸欠陥をサブナノメートルからピコメートル以下の感度で安定に計測する
ことが可能である。その結果、例えば、半導体ウェハや、磁気ディスク、磁気ヘッド浮上
面などの凹凸欠陥検査の感度を飛躍的に向上させることが可能となる。特に、本実施例の
場合、直線状集光スポット２１７を用いることにより、ＸもしくはＹの１方向のみの走査
で２次元領域の凹凸分布情報が短時間で得られるという利点を有する。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
以上説明したように、本発明によれば、極めて小形の光干渉変位センサで対象物の変位
量あるいは移動量を外乱の影響なく高精度に求めることが可能となり、さらに適用対象も
大幅に拡大する。その結果、サブナノメートル以下の精度で、ＡＦＭを始めとする走査プ
ローブ顕微鏡の探針走査が可能となり、サブナノメートル以下の分解能でかつ高い再現性
で、半導体デバイスを始めとする微細な立体構造素子の光学情報や微小凹凸情報の測定が
可能になるという効果を奏する。また、半導体ウェハや磁気ディスク、磁気ヘッド浮上面
のサブナノメートル以下の微小凹凸分布や微小凹凸欠陥の検査が可能になるという効果を
奏する。さらに、これらの測定結果を素子製造プロセス条件にフィードバックすることで
、信頼性の高いデバイス、メディアの高歩留まり生産が可能になる。
【符号の説明】
【００８１】
１・・・光源ユニット    ２、２ｘ、２ｙ、２ｚ・・・偏波面保存ファイバ    ３・・・
コリメータ    ５・・・偏光素子    ７・・・プリズムミラー    ８・・・無偏光ビーム
スプリッタ    ９・・・参照ミラー    １０・・・１／４波長板    １２、１２ｘ、１２
ｙ、１２ｚ・・・ターゲットミラー    １４、１７、８１、２１８・・・直交偏光ビーム
１３・・・開口    １５ａ、１５ｂ・・・四角錐プリズム    １８、１９、８２、８
３、８４、２１９、２２０・・・位相シフト素子９ｃ、１０ｃ、１８ｃ、１９ａ、１９ｂ
、８２ｃ、８２ｄ、８３ｃ、８３ｄ、８４ａ、８４ｂ、２１９ｃ、２２０ａ、２２０ｂ・
・・フォトニック結晶    ２０、８５、２２１・・・位相シフト干渉光    ２１、８６・
・・干渉フィルタ    ２２・・・光電変換素子    ２３、８８、２２３・・・増幅器    
３１・・・測定対象物    ４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、８９ａ、８９ｂ、８９ｃ、
８９ｄ、８９ｅ、８９ｆ、８９ｇ、８９ｈ、２２４・・・位相シフト干渉信号    ５０、
５１、５２・・・変位演算処理ユニット    ６１、６１ｘ、６１ｙ、６１ｚ、２３０・・
・移動量信号、凹凸測定信号    ７０・・・変位出力ユニット    ８０・・・ビーム整形
素子    ８７、２２２・・・分割形光電変換素子    １００、１００ｘ、１００ｙ、１０
０ｚ・・・センサユニット    １５０・・・ＸＹＺ圧電素子アクチュエータ    １６０・
・・カンチレバー    １７０・・・探針    １８０・・・半導体レーザ    １８１・・・
駆動回路    １９０・・・４分割ポジションセンサ    ２００、２１０・・・試料    ２
１５・・・集光レンズ    ３００、３５０・・・ＸＹＺステージ    ４００、４５０・・
・走査制御ユニット    ４１０・・・画像形成ユニット    ４２０、４７０・・・全体制
御ユニット    ４３０、４８０・・・出力ユニット    ４６０・・・欠陥検出ユニット  
５００・・・モニタ光学系ユニット    ６００・・・干渉計    ７００、１０００・・
・ステージユニット    ８００・・・ＡＦＭユニット    ９００、１２００・・・信号処
理・制御ユニット    １１００・・・表面検査ユニット
【図１】
0005699105.tif 000002
【図２】
0005699105.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0005699105.tif 000013
【図１３】
0005699105.tif 000014
【図１４】
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