(57)【要約】【課題】段差の大きい場合にも被検体の形状を誤り無く測定し、機械的に基準面を位置移動させずとも迅速で正確に被検体の形状を測定することができる形状測定装置及びその方法を提供すること。【解決手段】レーザー干渉計を用いたナノ形状測定装置及びその方法が開示される。複数のレーザー装置は、それぞれビームを生成し、生成されたビームのうち、特定周波数のビームを放出し、生成されたビームの波長を検出するための干渉信号を出力する。制御部は、出力された干渉信号から生成されたビームの波長を検出し、検出された波長に基づいて複数の前記レーザー装置を制御する。光学装置部は、被検体の表面にレーザー装置から放出されたビームを投射させて、被検体の干渉縞を生成する。複数のシャッターは、開閉可能であり、閉じた場合には、レーザー装置から放出されたビームが光学装置部に照射されるのを遮断する。撮像部は、生成された干渉縞を撮像する。本発明による形状測定装置及びその方法によれば、安定した周波数を放出する複数個の多チャネル周波数スキャニングレーザー装置を用いて光を放出するため、高さの大きい被検体の形状を正確で精密に測定することができる。また、本発明による形状測定装置及びその方法は、基準面の位置移動を要求せず、これにより、基準面の位置移動による時間所要及び誤差発生を防止し、被検体の形状を迅速で正確に測定することができる。【選択図】図１
2011511928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビームを生成し、前記生成されたビームのうち特定周波数のビームを放出し、前記生成されたビームの波長を検出するための干渉信号を出力する複数のレーザー装置と、
前記出力された干渉信号から、前記生成されたビームの波長を検出し、該検出された波長に基づいて複数の前記レーザー装置を制御する制御部と、
を含むことを特徴とする、形状測定装置。
【請求項２】
前記レーザー装置が、２個設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記レーザー装置が、
前記ビームを生成する半導体レーザーと、
前記生成されたビームの波長を検出するための干渉信号を生成して出力する干渉信号生成部と、
前記特定周波数を共振周波数として有し、前記生成されたビームが照射され、該照射されたビームの周波数と前記共振周波数とが同一の場合には、前記照射されたビームを前記半導体レーザーにフィードバックする外部反射体と、
前記外部反射体が前記照射されたビームをフィードバックした場合には、前記生成されたビームを外部に放出する光伝達部と、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記制御部が、複数の前記レーザー装置を交互に稼働させることを特徴とする、請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記稼働するレーザー装置が４個の特定周波数のビームを放出するように制御することを特徴とする、請求項４に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記制御部が、前記レーザー装置の温度または前記レーザー装置に印加される電流を調節して前記レーザー装置を制御することを特徴とする、請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項７】
被検体の表面に前記放出されたビームを投射させ、前記被検体の干渉縞を生成する光学装置部と、
開閉され、閉じた場合には、前記放出されたビームが前記光学装置部に照射されるのを遮断する複数のシャッターと、
前記生成された干渉縞を撮像する撮像部と、
をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項８】
前記制御部が、前記複数のシャッターのうちいずれか一方のシャッターを開いて、前記放出されたビームを前記光学装置部に照射させることを特徴とする、請求項７に記載の形状測定装置。
【請求項９】
前記制御部が、前記特定周波数のビームのそれぞれに対する前記撮像された干渉縞を獲得することを特徴とする、請求項７に記載の形状測定装置。
【請求項１０】
前記制御部が、前記特定周波数及び前記特定周波数のビームのそれぞれに対して前記獲得された干渉縞に基づいて前記被検体の形状情報を算出することを特徴とする、請求項９に記載の形状測定装置。
【請求項１１】
複数のレーザー装置を用いて形状を測定する方法であって、
前記複数のレーザー装置のうちいずれか一方のレーザー装置を稼働する第１稼働段階と、
前記稼働したレーザー装置から複数の特定周波数のビームをそれぞれ放出させ、前記放出された特定周波数のビームのそれぞれを被検体に投射させて、前記特定周波数のそれぞれに対する前記被検体の干渉縞を獲得する干渉縞獲得段階と、
前記稼働したレーザー装置を停止させ、複数のレーザー装置のうちいずれか他方のレーザー装置を稼働する第２稼働段階と、
含むことを特徴とする、形状測定方法。
【請求項１２】
前記第１稼働段階が、
前記複数のレーザー装置のうちいずれか一方のレーザー装置に電流を印加する段階と、
前記電流が印加されたレーザー装置から放出されるビームを遮断するシャッターを開く段階と、
を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の形状測定方法。
【請求項１３】
前記干渉縞獲得段階が、
前記稼働したレーザー装置を通じて特定周波数のビームを放出するビーム放出段階と、
前記放出されたビームを被検体の表面に投射させて、前記被検体の干渉縞を獲得する段階と、
を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の形状測定方法。
【請求項１４】
前記ビーム放出段階が、
前記稼働したレーザー装置で生成されたビームの波長を検出する段階と、
前記検出された波長に基づいて、前記レーザー装置に印加される電流を調節する段階と、
前記ビームの共鳴周波数を検出する段階と、
前記ビームの共鳴周波数が検出された場合には、前記ビームを前記特定周波数のビームとして放出する段階と、
を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の形状測定方法;
【請求項１５】
前記第２稼働段階が、
前記稼働したレーザー装置から放出されるビームを遮断するシャッターを閉じる段階と、
前記稼働したレーザー装置に印加される電流の供給を中断する段階と、
前記複数のレーザー装置のうちいずれか他方のレーザー装置に電流を印加する段階と、
前記電流の印加されたレーザー装置から放出されるビームを遮断するシャッターを開く段階と、
を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の形状測定方法。
【請求項１６】
前記特定周波数及び前記特定周波数のビームから獲得された干渉縞に基づいて前記被検体の形状情報を算出する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載の形状測定方法。
【請求項１７】
前記レーザー装置が、
前記ビームを生成する半導体レーザーと、
前記生成されたビームの波長を検出するための干渉信号を生成して出力する干渉信号生成部と、
前記特定周波数を共振周波数として有し、前記生成されたビームが照射され、該照射されたビームの周波数と前記共振周波数とが同一の場合には、前記照射されたビームを前記半導体レーザーにフィードバックする外部反射体と、
前記外部反射体が前記照射されたビームをフィードバックした場合には、前記生成されたビームを外部に放出する光伝達部と、
を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の形状測定方法。
【請求項１８】
前記レーザー装置が、２個設けられていることを特徴とする、請求項１１に記載の形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
形状測定装置及びその方法であって、より詳細には、光の干渉を通じてナノサイズの形状を測定するための形状測定装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
３次元形状測定装置とは、検査しようとする物体（以下、被検体という）の表面に、一定の形態を有する光を照射して干渉縞を形成し、この干渉縞を測定及び解析して物体表面の高さに関する情報を得る装置のことをいう。
このような測定方法は、被検体の３次元形状を容易に得ることができるので、医学、産業分野で広く用いられている。
特に最近の産業界全般における急速な技術発展に伴い、半導体、ＭＥＭＳ、平板ディスプレイ、光部品などの分野において微細加工が要求されており、現在はナノ単位の超精密製造技術が要求されている。
このような加工において必要な加工の形状も単なる２次元パターンから複雑な３次元形状に変化しており、よって、３次元微細形状を測定する技術の重要性はより増加してきている。
【０００３】
従来は、このような３次元形状測定のために光位相遷移干渉計（PSI:  Phase  Shifting  Interferometer）を用いた測定方法を使用していた。
光位相遷移干渉計（ＰＳＩ）の基本的な測定原理について説明すると、次の通りである。光源からの照明光をそれぞれ基準面と測定面に照射した後、それらを光分割器を用いて合わせて、測定面の映像と縞状の干渉信号を獲得する。
その後、光検出素子で、発生する干渉信号の位相（Phase）を計算することによって高さを測定する。
このような位相干渉測定法は、干渉信号追跡法といい、干渉信号の間隔が光源波長の半波長に該当する点とその間の干渉信号変化を調和関数で補間することによって間接的に干渉信号の位相を計算する方法を用いたものである。
【０００４】
このような既存の光位相遷移干渉計（ＰＳＩ）は、２πを測定モジュールロ（measured  modulo）することによって、測定された位相データの間に２πの不一致を除去するために、隣接したピクセル間の光経路差（OPD:  Optical  Path  Difference）の差は波長の半分であるとする。
これにより、既存の光位相遷移干渉計（ＰＳＩ）は、被検体の表面勾配が、隣接したピクセル間の位相変化がπよりも大きくなる程度に十分に大きい場合は、位相測定結果が劣化するという問題点があった。
【０００５】
また、既存の光位相遷移干渉計（ＰＳＩ）は、基準面を３回以上一定の位相だけ連続して動かしながら光検出素子により干渉縞を少なくとも３回以上測定して、基準光束の波頭面に対する測定光束の波頭面の相対的な位相差を比較することによって、被検体に対する表面の高さを測定することができる。
したがって、既存の光位相遷移干渉計（ＰＳＩ）は、測定面の上部方向に基準面を一定の間隔で動かしながら動きながら測定しなければならず、測定に時間がかかり、機械的な移動により発生する位置上の誤差から、正確で精密に形状を測定することができなかった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、位相遷移干渉計において段差の測定領域が波長の１／４に制限される限界を克服することによって、段差の大きい場合にも被検体の形状を誤り無く測定し、機械的に基準面を位置移動させずとも迅速で正確に被検体の形状を測定することができる形状測定装置及びその方法を提供することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するために、本発明は、周波数を精密にスキャニングできるレーザーを用いて位相遷移された映像を得る方式で、機械的な位相遷移方法に取って代わる。
また、段差の測定領域を広めるために、異なる波長で２台の周波数スキャニングレーザーを用いる。
【０００８】
本発明による形状測定装置は、ビームを生成し、前記生成されたビームのうち特定周波数のビームを放出し、前記生成されたビームの波長を検出するための干渉信号を出力する複数のレーザー装置と；前記出力された干渉信号から、前記生成されたビームの波長を検出し、該検出された波長に基づいて複数の前記レーザー装置を制御する制御部と；を含む。
【０００９】
前記レーザー装置が、前記ビームを生成する半導体レーザーと；前記生成されたビームの波長を検出するための干渉信号を生成して出力する干渉信号生成部と；前記特定周波数を共振周波数として有し、前記生成されたビームが照射され、該照射されたビームの周波数と前記共振周波数とが同一の場合には、前記照射されたビームを前記半導体レーザーにフィードバックする外部反射体と；前記外部反射体が前記照射されたビームをフィードバックした場合には、前記生成されたビームを外部に放出する光伝達部と；を含む。
好ましくは、本発明に係る形状測定装置は、２個のレーザー装置を含む。
【００１０】
前記制御部は、複数の前記レーザー装置を交互に稼働させ、該稼働するレーザー装置が４個の特定周波数のビームを放出するように制御する。
ここで、前記制御部は、前記レーザー装置の温度または前記レーザー装置に印加される電流を調節して前記レーザー装置を制御する。
【００１１】
好ましくは、上記形状測定装置は、被検体の表面に前記放出されたビームを投射させて、前記被検体の干渉縞を生成する光学装置部と；開閉可能であり、閉じた場合には、前記放出されたビームが前記光学装置部に照射されるのを遮断する複数のシャッターと；前記生成された干渉縞を撮像する撮像部と；をさらに含む。
ここで、前記制御部は、前記複数のシャッターのうちいずれか一方のシャッターを開いて、前記放出されたビームを前記光学装置部に照射させ、前記特定周波数のビームのそれぞれに対する前記撮像された干渉縞を獲得する。
そして、前記制御部が、前記特定周波数及び前記特定周波数のビームのそれぞれに対して前記獲得された干渉縞に基づいて前記被検体の形状情報を算出する。
【００１２】
上記課題を解決するための本発明に係る形状測定方法は、複数のレーザー装置を用いて形状を測定する方法であって、前記複数のレーザー装置のうちいずれか一方のレーザー装置を稼働する第１稼働段階と；前記稼働したレーザー装置から複数の特定周波数のビームをそれぞれ放出させ、前記放出された特定周波数のビームのそれぞれを被検体に投射させて、前記特定周波数のそれぞれに対する前記被検体の干渉縞を獲得する干渉縞獲得段階と；前記稼働したレーザー装置を停止させ、複数のレーザー装置のうちいずれか他方のレーザー装置を稼働する第２稼働段階と；を含む。
【００１３】
前記第１稼働段階が、前記複数のレーザー装置のうちいずれか一方のレーザー装置に電流を印加する段階と；前記電流が印加されたレーザー装置から放出されるビームを遮断するシャッターを開く段階と；を含む。
また、前記干渉縞獲得段階は、前記稼働したレーザー装置を通じて特定周波数のビームを放出するビーム放出段階と；前記放出されたビームを被検体の表面に投射させて、前記被検体の干渉縞を獲得する段階と；を含む。
また、前記ビーム放出段階は、前記稼働したレーザー装置で生成されたビームの波長を検出する段階と；前記検出された波長に基づいて、前記レーザー装置に印加される電流を調節する段階と；前記ビームの共鳴周波数を検出する段階と；前記ビームの共鳴周波数が検出された場合には、前記ビームを前記特定周波数のビームとして放出する段階と；を含む。
そして、前記第２稼働段階が、前記稼働したレーザー装置から放出されるビームを遮断するシャッターを閉じる段階と；前記稼働したレーザー装置に印加される電流の供給を中断する段階と；前記複数のレーザー装置のうちいずれか他方のレーザー装置に電流を印加する段階と；前記電流の印加されたレーザー装置から放出されるビームを遮断するシャッターを開く段階と；を含むことを特徴とする。
【００１４】
好ましくは、上記形状測定方法は、前記特定周波数及び前記特定周波数のビームから獲得された干渉縞に基づいて前記被検体の形状情報を算出する段階をさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る形状測定装置の好適な一実施例を示す構成ブロック図である。
【図２】本発明に係る形状測定装置におけるレーザー装置の好適な一実施例を示す構成ブロック図である。
【図３】本発明に係る形状測定装置における外部反射体の好適な一実施例を示す概略構造図である。
【図４】本発明に係る形状測定装置における干渉信号生成部の好適な一実施例を示す概略構造図である。
【図５】本発明に係る形状測定装置の波長測定原理を示す図である。
【図６】本発明に係る形状測定装置における光伝達部の好適な一実施例を示す構成ブロック図である。
【図７】本発明に係る形状測定装置におけるレーザー装置の好適な一実施例を示す概略構造図である。
【図８】本発明に係る形状測定装置における制御部の好適な一実施例を示す構成ブロック図である。
【図９】本発明に係る形状測定装置の第２検出器で検出されたビームの周波数別強度を示すグラフである。
【図１０】本発明に係る形状測定装置の第３検出器で検出されたビームの周波数別強度を示すグラフである。
【図１１】本発明に係る形状測定装置の第１検出器で検出されたビームの周波数別強度を示すグラフである。
【図１２】本発明に係る形状測定装置のいずれか一方のレーザー装置に印加される電流の変化を示す図である。
【図１３】本発明に係る形状測定装置のいずれか一方のレーザー装置において第１光検出器で検出されるとともに、印加された電流から生成されたビームの放出状態を示す図である。
【図１４】本発明に係る形状測定装置のいずれか一方のレーザー装置において電流が印加されたレーザー装置に対応するシャッターの開閉状態を示す図である。
【図１５】本発明に係る形状測定装置のいずれか一方のレーザー装置において、印加された電流から生成されたビームから検出された共振周波数によるトリガーの動作を示す図である。
【図１６】本発明に係る形状測定装置のいずれか一方のレーザー装置において電流が印加されたレーザー装置が生成するビームを示す図である。
【図１７】本発明による形状測定装置の他方のレーザー装置に印加される電流の変化を示す図である。
【図１８】本発明に係る形状測定装置の他方のレーザー装置において第１光検出器で検出された印加された電流から生成されたビームを示す図である。
【図１９】本発明に係る形状測定装置の他方のレーザー装置において電流が印加されたレーザー装置に対応するシャッターの開閉状態を示す図である。
【図２０】本発明に係る形状測定装置の他方のレーザー装置において、印加された電流から生成されたビームから検出された共振周波数によるトリガーの動作を示す図である。
【図２１】本発明に係る形状測定装置の他方のレーザー装置において、電流が印加されたレーザー装置が生成するビームを示す図である。
【図２２】本発明に係る形状測定装置の好適な一実施例を示す概略構造図である。
【図２３】本発明に係る形状測定方法の好適な一実施例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明に係る形状測定装置及び方法の好適な実施例について詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係る形状測定装置の好適な一実施例を示す構成ブロック図である。
【００１８】
図１を参照すると、本発明に係る形状測定装置１００は、複数のレーザー装置１１１，１１６、制御部１２０、シャッター１３１，１３６、光学装置部１４０及び撮像部１５０を備える。
【００１９】
図２は、本発明に係る形状測定装置のレーザー装置の好適な一実施例を示す構成ブロック図である。
【００２０】
図２を参照すると、レーザー装置１１１，１１６は、ビームを生成し、生成されたビームの中で特定周波数のビームを放出し、生成されたビームの波長を検出するための干渉信号を出力する。
このために、レーザー装置２００は、半導体レーザー２１０、外部反射体２２０、干渉信号生成部２３０及び光伝達部２４０を備える。
【００２１】
半導体レーザー２１０はビームを生成し、生成されるビームの周波数または波長は制御部１２０により調節される。
そして、半導体レーザー２１０は、外部反射体２２０からフィードバックされたビームによって、外部反射体２２０の共振周波数にロックされたビームを放出する。
【００２２】
外部反射体２２０は、共振周波数を有し、半導体レーザー２１０が生成したビームの周波数と共振周波数とが同一の場合には、半導体レーザー２１０から放出されたビームを半導体レーザー２１０にフィードバックする。
半導体レーザー２１０にフィードバックされたビームによって、半導体レーザー２１０から放出されるビームは共振周波数にロックされる。この時、半導体レーザー２１０は、安定した周波数を有するビームを放出することとなる。
このような外部反射体２２０としては、１枚の反射鏡、光学格子、光ファイバ共振器、ファブリペロー共振器などが使用される。
【００２３】
図３は、本発明に係る形状測定装置の外部反射体の好適な一実施例を示す概略構造図である。
【００２４】
図３を参照すると、外部反射体３００は、光共振器３１０、第１手段３２０、第２手段３２０及び第１光検出器３４０を備える。
【００２５】
光共振器３１０は、共振周波数を有し、半導体レーザー２１０から放出されたビームの周波数と共振周波数とが同一の場合には、半導体レーザー２１０にフィードバックするために、入射したビームを増幅して出力する。
このために、光共振器３１０は、二つの反射鏡３１２，３１４で構成され、例えば、二つの反射鏡３１２，３１４は互いに反射鏡の曲率半径と同一の長さで離れて配置される。
【００２６】
そして、半導体レーザー２１０から放出されたビームを光共振器３１０に照射する第１手段３２０及び光共振器３１０から増幅されたビームを半導体レーザー２１０にフィードバックする第２手段３２０は同一のものにすることができる。
【００２７】
第１手段３２０は、半導体レーザー２１０から放出されたビーム３５０を反射鏡３１２に入射させる。
反射鏡３１２に入射したビームは、光共振器３１０から４個のビーム３５１，３５２，３５３，３５４として放出される。
ここで、ビーム３５１は、反射鏡３１２から反射されたビームと光共振器３１０の共振領域から伝送されたビームとで構成されるため、半導体レーザー１１０から放出されたビームの周波数が共振周波数と同一の時に最小パワーを有する。
逆に、ビーム３５２，３５３，３５４は、光共振器３１０の共振領域から伝送されたビームで構成されるため、半導体レーザー１１０から放出されたビームの周波数が共振周波数と同一の時にのみ最大パワーを有する。
ビーム３５２が最大パワーを有する時、第２手段３２０によりビーム３５２は半導体レーザー２１０にフィードバックされる。
【００２８】
第１光検出器３４０は、光共振器３１０を透過としてきたビーム３５３を検出する。
制御部１２０は、第１光検出器３４０で検出されたビーム３５３から共鳴が発生したか否かを確認し、共鳴が発生した場合には、検出されたビーム３５３の周波数を共鳴周波数として検出する。
ここで、共鳴周波数が検出されたビームは、特定周波数のビームとして放出される。
【００２９】
図４は、本発明に係る形状測定装置における干渉信号生成部の好適な一実施例を示す概略構造図であり、図５は、本発明による形状測定装置の波長測定原理を示す図である。
【００３０】
図４及び図５を参照すると、干渉信号生成部４００は、半導体レーザー２１０から放出されたビームの波長を検出するための干渉信号を生成する。
このために、干渉信号生成部４００は、試料基板４１０、光照射手段４２０及び光検出手段４３０を備える。
【００３１】
試料基板４１０は、予め設定された厚さを有するもので、例えば、ガラス板とすればよい。
試料基板５１０の厚さ（Ｌ）を予め知っている場合には、試料基板５１０から反射されたビームの干渉現象を分析して、試料基板５１０に入射したビームＩ０の波長を検出することができる。
試料基板５１０の前面５１１から反射されたビームＩ１と試料基板の奥面５１２から反射されたビームＩ２は互いに干渉を起こす。
このような干渉により、光検出手段５３０で検出されたビームの強度が時間によって周期的に変化することになる。
制御部５４０は、干渉現象により変化するビームの強度を分析して、半導体レーザー２１０から放出されたビームの波長を算出する。
このように、干渉信号生成部４００は、半導体レーザー２１０から放出されたビームを試料基板４１０に入射させ、試料基板４１０から反射されたビームに干渉現象を起こらせて干渉信号を生成し、これを制御部１２０に出力する。
【００３２】
光照射手段４２０は、半導体レーザー２１０から放出されたビームを試料基板４１０に照射する。
このために、光照射手段４２０は、光分割器４２２及び光経路調節部４２４を備える。光分割器４２２は、半導体レーザー２１０から放出されたビームを第１ビームと第２ビームとに分割する。
光経路調節部４２４は、光分割器４２２で分割された第１ビーム及び第２ビームを互いに入射角を異ならせて試料基板４１０に入射するように光経路を調節する。
このために、光経路調節部４２４は、焦点レンズ４２８及び反射ミラー４２６を備える。
反射ミラー４２６は、光分割器４２２から照射されたビームを反射させて焦点レンズ４２８に照射し、焦点レンズ４２８は、入射した各ビームが互いに異なる入射角をもって試料基板４１０に入射するように、入射した各ビームを屈折させる。
【００３３】
他の実施例として、光照射手段４２０は、半導体レーザー２１０から放出されたビームを分割する過程を省いて、半導体レーザー２１０から放出されたビームを試料基板４１０に入射させることもできる。
【００３４】
光検出手段４３０は、試料基板４１０から反射された光を検出する。
このために、光検出手段４３０は、１／４波長板４３２、偏光光分割器４３４、第２光検出器４３６及び第３光検出器４３８を備える。
１／４波長板４３２は、試料基板４１０から反射された第１ビーム及び第２ビームの偏光を調節して透過させる。
偏光光分割器４３４は、偏光が調節された第１ビーム及び第２ビームを第２光検出器及び第３光検出器に反射する。
すなわち、偏光光分割器４３４は、光分割器４２２で分割された第１ビームと第２ビームは透過させ、偏光が調節された第１ビーム及び第２ビームを反射させるので、偏光光分割器４３４は、光分割器４２２と試料基板４１０との中間部分に位置することができる。
第２光検出器４３６及び第３光検出器４３８はそれぞれ、偏光光分割器４３４から反射された第１ビーム及び第２ビームを検出する。
【００３５】
図６は、本発明に係る形状測定装置における光伝達部の好適な一実施例を示す構成ブロック図である。
【００３６】
図６を参照すると、光伝達部２４０は、半導体レーザー２１０から放出されたビームを分割して外部反射体２２０及び干渉信号生成部２３０にそれぞれ照射する。
このために、光伝達部６００は、第１光分割器６１０、光絶縁体６２０及び第２光分割器６３０を備える。
第１光分割器６１０は、半導体レーザー２１０から放出されたビームＩ０を分割し、分割されたビームの一部Ｉ１を外部反射体２２０に照射する。
光絶縁体６２０は、第１光分割器６１０から分割されたビームの残り一部Ｉ２、すなわち、外部反射体２２０に照射されなかったビームＩ２を第２光分割器６３０に透過させる。
ここで、光絶縁体６２０は、透過されるビームＩ２の強度を維持し、逆反射を防ぐ機能を果たす。
第２光分割器６３０は、光絶縁体６２０を透過したビームＩ２を分割し、分割したビームの一部Ｉ３を干渉信号生成部２３０に照射し、分割したビームの残り一部Ｉ４を外部に放出する。
ここで、ビームＩ４は、半導体レーザー２１０で生成されたビームの周波数と外部反射体２２０の共振周波数とが同一の場合、すなわち、生成されたビームが特定周波数を有する場合に外部に放出されるように制御される。
【００３７】
図７は、本発明に係る形状測定装置におけるレーザー装置の好適な一実施例を示す概略構造図である。
【００３８】
図７を参照すると、半導体レーザー７１０から放出されたビーム７１１は、第１光分割器７２１により第１ビーム７１２及び第２ビーム７１３に分割される。
分割された第１ビーム７１２は、外部反射体７３０に照射され、第１手段７３１により光共振器７３２に入力される。
第１ビーム７１２が光共振器７３２により共鳴された場合には、光共振器７３２から放出されたビーム７１４が半導体レーザー７１０にフィードバックされ、光共振器７３２を透過したビーム７１５は、第１光検出器７３３により検出される。制御部１２０は、検出されたビーム７１５から共鳴周波数を検出する。
【００３９】
第２ビーム７１３は、光絶縁体７２３を透過して第２光分割器７２５に照射される。
第２光分割器７２５に照射された第２ビーム７１３は、第３ビーム７１６及び第４ビーム７１９に分割され、分割された第３ビーム７１６は、干渉信号生成部７４０に照射され、分割された第４ビーム７１９は、外部に放出される。
干渉信号生成部７４０に照射された第３ビーム７１６は、光分割器７４１により第５ビーム７１７及び第６ビーム７１８に分割される。
光分割器７４１により分割された第５ビーム７１７は、焦点レンズ７４２を透過して試料基板７４４に入射する。
この時、入射した第５ビーム７１７の入射角は０度（垂直入射）である。光分割器７４１により分割された第６ビーム７１８は、反射ミラー７４３により反射され、反射された第６ビーム７１８は、焦点レンズ７４２を透過して試料基板７４４に入射する。
この時、入射した第５ビーム７１７及び第６ビーム７１８の入射各の差θは、第２光検出器７４８及び第３光検出器７４９で検出されたビームの位相差が９０度となる値を有する。
すなわち、第２光検出器７４８及び第３光検出器７４９で検出されたビームの位相差が９０度になるように、反射ミラー７４３及び焦点レンズ７４２により第６ビーム７１８の光経路が調節される。
第５ビーム７１７及び第６ビーム７１８はそれぞれ、一部は試料基板７４４の前面で反射され、残り一部は試料基板７４４の奥面で反射されて、１／４波長板７４５に入射する。
１／４波長板７４５に入射した第５ビーム７１７及び第６ビーム７１８は偏光調節されて偏光光分割器７４６に入射し、偏光光分割器７４６により反射されて焦点レンズ７４７に照射される。
焦点レンズ７４７に照射された第５ビーム７１７及び第６ビーム７１８はそれぞれ集光され、第２光検出器７４８及び第３光検出器７４９により検出される。
【００４０】
制御部１２０は、検出された第５ビーム７１７及び第６ビーム７１７によりそれぞれ生成される干渉信号から、半導体レーザー７１０から放出されたビーム７１１の波長を算出する。
また、制御部１２０は、第１光検出器７３３により検出されたビーム７１５から検出した共鳴周波数を通じて、半導体レーザー７１０から放出されたビーム７１１の波長をより精密に算出する。
制御部１２０は、算出された波長に基づいて半導体レーザー７１０の温度及び半導体レーザー７１０に印加される電流を調節して、半導体レーザー７１０が安定した周波数有するビームを放出するように制御する。
【００４１】
図８は、本発明に係る形状測定装置における制御部の好適な一実施例を示す構成ブロック図である。
【００４２】
図８を参照すると、制御部１２０は、複数のレーザー装置１１１，１１６が出力した干渉信号から生成されたビームの波長を検出し、検出された波長に基づいて複数のレーザー装置１１１，１１６を制御する。
このために、制御部８００は、レーザー装置制御部８１０、トリガー８２０、形状情報算出部８３０を備える。
【００４３】
レーザー装置制御部８１０は、干渉信号生成部２３０で生成された干渉信号から、半導体レーザー２１０から放出されたビームの波長を検出し、外部反射体２２０から検出されたビームから共鳴周波数を検出して、半導体レーザー２１０の温度または半導体レーザー２１０に印加される電流を調節することで半導体レーザー２１０を制御する。
このために、レーザー装置制御部８１０は、波長算出部８１１、制御信号算出部８１２、調節部８１３を備える。
【００４４】
波長算出部８１１は、干渉信号生成部２３０で生成された干渉信号から波長を検出する。
すなわち、波長算出部８１１は、第２光検出器４３６及び第３光検出器４３８でそれぞれ検出された第１ビーム及び第２ビームにより生成された干渉縞を分析することによって、半導体レーザー２１０から放出されたビームの波長を検出する。
【００４５】
波長算出部８１１は、下記の数学式１によって、第２光検出器４３６及び第３光検出器４３８で検出されたビームの波長λを算出する。
【００４６】
【数１】
2011511928.tif 000003
【００４７】
ここで、Ｉは、各光検出器４３６，４３８で検出されたビームの強度を表し、Ｉ１、Ｉ２はそれぞれ、試料基板４１０の前面及び奥面でそれぞれ反射されて、各光検出器４３６，４３８で検出された光の強度を表し、ｎは、試料基板の屈折率を表し、Ｌは試料基板の厚さを表す。
【００４８】
各光検出器４３６，４３８で検出されるビームの位相差が９０度となるように、光経路調節部４２４を通じて光分割器４２２が分割した第１ビーム及び第２ビームのそれぞれの試料基板４１０への入射角を調節すると、第２光検出器３３６で検出されるビームの強度Ｉｐｄ２は、数学式１によって下記の数学式２で示すことができる。
【００４９】
【数２】
2011511928.tif 000004
【００５０】
ここで、各光検出器４３６，４３８で検出される第１ビームと第２ビームとの位相差が９０度となるように試料基板の入射角を調節すると、第３光検出器４３６で検出されるビームの強度Ｉｐｄ３は、下記の数学式３で示される。
【００５１】
【数３】
2011511928.tif 000005
【００５２】
波長算出部８１１は、数学式２及び数学式３により、半導体レーザー２１０から放出されたビームの波長を算出することができる。
【００５３】
図９は、本発明による形状測定装置のレーザー装置における第２検出器で検出されたビームの周波数別強度を示すグラフであり、図１０は、本発明による形状測定装置のレーザー装置における第３検出器で検出されたビームの周波数別強度を示すグラフであり、図１１は、本発明による形状測定装置のレーザー装置における第１検出器で検出されたビームの周波数別強度を示すグラフである。
【００５４】
図９乃至図１１を参照すると、波長算出部８１１は、外部反射体２２０が検出したビームから共鳴周波数を検出する。
共鳴周波数を検出した時間がｔの時、第２光検出器４３６から検出されたビームの強度がＡ１（９１０）であれば、波長算出部８１１は、波長λ１（９１１）を算出する。
同様に、時間がｔの時、第３光検出器４３８から検出したビームの強度がＡ２（９２０）であれば、波長算出部８１１は、波長λ２（９２１）を算出する。時間がｔの時、波長算出部８１１が共鳴周波数を検出すると、下記の数学式４から波長λ０（９３１）を算出することができる。
ここで、波長算出部８１１は、外部反射体２２０が検出したビームの強度が最大である地点９３０で外部反射体２２０が検出したビームの周波数を共鳴周波数として検出する。
このようにして共鳴周波数が検出された場合は、波長算出部８１１は、算出されたλ１及びλ２にλ０を追加して、より高い分解能をもって半導体レーザー１１０から放出されるビームの波長を正確に検出する。
したがって、本発明による形状測定装置１００は、共鳴周波数を用いて高い分解能をもって半導体レーザー２１０から放出されるビームの波長を正確に算出することができる。
【００５５】
【数４】
2011511928.tif 000006
【００５６】
ここで、Ｃは光の速度を表し、ｆは共振周波数を表し、λは波長を表す。
【００５７】
制御信号算出部８１２は、検出された波長に基づいて制御信号を算出する。
また、制御信号算出部８１２は、トリガー８２０から与えられる命令に応じて特定領域の波長を算出するための制御信号を算出することができる。
すなわち、制御信号算出部８１２は、トリガー８２０から波長領域を高めるように要求されると、それに応じて変化されるべき半導体レーザー２１０の温度変化値と半導体レーザー２１０に印加される電流の変化値を制御信号として算出する。
【００５８】
また、制御信号算出部８１２は、波長算出部８１１で検出された共鳴周波数に、半導体レーザー２１０が放出するビームの周波数のロック状態が維持されるように、半導体レーザー２１０の温度及び半導体レーザー２１０に印加される電流を固定するための制御信号を算出する。
ここで、制御信号算出部８１２は、温度と電流を調節するための各制御信号を個別に算出してもよく、一緒に考慮して算出しても良い。
【００５９】
調節部８１３は、制御信号算出部８１２で算出された制御信号によって、半導体レーザー２１０の温度または半導体レーザー２１０に印加される電流を調節する。
調節部８１３により調節される温度、電流の変化によって、半導体レーザー２１０から放出されるビームの波長領域が変化する。
【００６０】
結局として、レーザー装置制御部８１０は、半導体レーザー２１０の温度及び半導体レーザー２１０に印加される電流を変更し固定することによって、半導体レーザー２１０が安定した周波数９４１，９４２，９４３，９４４を有するビームを長時間放出できるように制御する。
【００６１】
したがって、本発明に係る形状測定装置１００は、様々な周波数領域別に周波数が安定化されたビームを長期間生成して、被検体１０１の形状を測定でき、生成されたビームの波長を高い分解能で正確で精密に算出し、これを被検体１０１の形状測定に用いることができる。
【００６２】
トリガー８２０は、複数のレーザー装置１１１，１１６が交互に稼働するように制御し、好ましくは、トリガー８２０は、一つのレーザー装置１１１が４個の特定周波数のビームを放出した後に、他のレーザー装置１１６が稼働するように制御する。
また、トリガー８２０は、複数のシャッター１３１，１３６のうち、稼働するレーザー装置１１１から放出されるビームを遮断するシャッター１３１を開き、稼働するレーザー装置１１１から放出されるビームを光学装置部１４０に入射するように制御し、他のレーザー装置１１６を稼働させる場合には、シャッター１３１を閉じ、レーザー装置１１１から放出されるビームを遮断し、シャッター１３６を開いて、レーザー装置１１６から放出されるビームを光学装置部１４０に入射するように制御する。
【００６３】
そして、トリガー８２０は、波長算出部８１１が共鳴周波数を検出した時点によって同期して撮像部１５０が撮像した干渉縞を検出して、特定周波数のビームのそれぞれに対する撮像された干渉縞を獲得し、これを形状情報算出部８３０に出力する。
また、トリガー８２０は、特定周波数のビームに対する撮像された干渉縞を獲得した場合には、制御信号算出部８１２に半導体レーザー２１０の温度または半導体レーザー２１０に印加される電流を調節するように命令する。
【００６４】
形状情報算出部８３０は、レーザー装置１１１，１１６が放出したビームの特定周波数及び特定周波数のビームのそれぞれに対して獲得された干渉縞に基づいて被検体１０１の形状情報を算出する。
ここで、被検体１０１の形状情報は、表面高さ、表面照度などを含む３次元形状に関する寸法などの情報を指す。
【００６５】
光学装置部１４０は、被検体１０１の表面に、レーザー装置１１１，１１６から放出されたビームを投射させて、被検体１０１の干渉縞を生成する。
すなわち、光学装置部１４０は、レーザー装置１１１，１１６から放出されたビームを分割し、分割されたビームの一部は被検体１０１に照射し、分割されるビームの残り一部は基準ビームとして用いて、被検体１０１から反射されたビームと基準ビームとの間に干渉を起こさせて干渉縞を生成する。
【００６６】
シャッター１３１，１３６は、制御部１２０の制御によって開閉され、閉じた場合には、レーザー装置１１１，１１６から放出されたビームが光学装置部１４０に照射されることを遮断し、開く場合には、遮断されたビームを光学装置部１４０に通過させる。
シャッター１３１，１３６は複数個設けられ、各レーザー装置１１１，１１６ごとに一つずつ設けられることが好ましい。この時、各シャッター１３１，１３６は、該当のレーザー装置１１１，１１６から放出されたビームを遮断する役割を果たす。
【００６７】
撮像部１５０は、光学装置部１４０で生成された干渉縞を撮像する。撮像部１５０は、例えばデジタルカメラとすることができ、撮像部１５０の撮像素子としては、ＣＣＤ（Charged Coupled Device）及びＣＭＯＳ（Complementarly  Metal  Oxide Semiconduct）などの固体撮像素子を使用することができる。
撮像部１５０は、制御部１２０の制御によってレーザー装置１１１，１１６が放出したビームのうち、特定周波数のビームのそれぞれにより生成された干渉縞を撮像する。
【００６８】
図１２乃至図１６はそれぞれ、本発明に係る形状測定装置の一つのレーザー装置に印加される電流、第１光検出器で検出された印加された電流から生成されたビーム、電流が印加されたレーザー装置の該当のシャッターの開閉状態、印加された電流から生成されたビームから検出された共振周波数によるトリガーの動作、及び電流が印加されたレーザー装置が生成するビームを示す図である。
図１７乃至図２１はそれぞれ、本発明による形状測定装置の他のレーザー装置に印加される電流、第１光検出器で検出された印加された電流から生成されたビーム、電流が印加されたレーザー装置の該当のシャッターの開閉状態、印加された電流から生成されたビームから検出された共振周波数によるトリガーの動作、及び電流が印加されたレーザー装置が生成するビームを示す図である。
【００６９】
図１２乃至図２１を参照すると、制御部１２０は、各レーザー装置１１１，１１６に交互に電流１０１０，１１１０を印加する。
制御部１２０は、レーザー装置１１１に電流を印加しながら同時にシャッター１３１を開くと（１０３０）、被検体１０１にビーム１０５０が照射される。
ここで、レーザー装置１１１は、特定周波数のビーム１０２１，１０２２，１０２３，１０２４を放出する。
この時、制御部１２０は、特定周波数のビーム１０２１，１０２２，１０２３，１０２４の放出を確認し、特定周波数のビームの放出によってトリガー信号１０４１，１０４２，１０４３，１０４４を生成し、生成されたトリガー信号１０４１，１０４２，１０４３，１０４４によって撮像部１５０に撮像された干渉縞を獲得し、各レーザー装置１１１，１１６に印加される電流を調節する。
【００７０】
同様に、制御部１２０は、レーザー装置１１６に電流を印加しながら同時にシャッター１３６を開くと（１１３０）、被検体１０１にビーム１１５０が照射される。
ここでレーザー装置１１６は、特定周波数のビーム１１２１，１１２２，１１２３，１１２４を放出する。
この時、制御部１２０は、特定周波数のビーム１１２１，１１２２，１１２３，１１２４の放出を確認し、特定周波数のビームの放出によってトリガー信号１１４１，１１４２，１１４３，１１４４を生成し、生成されたトリガー信号１１４１，１１４２，１１４３，１１４４によって撮像部１５０に撮像された干渉縞を獲得し、各レーザー装置１１１，１１６に印加される電流を調節する。
【００７１】
図２２は、本発明に係る形状測定装置の好適な一実施例を示す概略構造図である。
【００７２】
図２２を参照すると、制御部１２２０は、レーザー装置１２１１に電流を印加し、シャッター１２３１を開く。
こうすると、レーザー装置１２１１から放出されたビームはシャッター１２３１を通過して光学装置部１２４０に照射される。
光学装置部１２４０に照射されたビームは、反射鏡１２４１により反射されて視準レンズ（CL:  Collimating  lens）１２４３に照射される。
視準レンズ１２４３は、照射されたビームを視準化させて、光分割器１２４４に入射させる。
光分割器１２４４に入射したビームは、対物レンズ１２４５に入射する。
対物レンズ１２４５に入射したビームは、基準鏡１２４６に照射される。
基準鏡１２４６に照射されたビームは、基準鏡１２４６を透過して光分割器１２４７に入射する。
光分割器１２４７に入射したビームの一部は、光分割器１２４７から反射されて基準鏡１２４６に照射され、入射したビームの残り一部は測定台１２４８上に置かれている被検体１２０１に投射される。
【００７３】
基準鏡１２４６に照射されたビームは、基準鏡１２４６から反射されて光分割器１２４７に再照射され、再照射されたビームは、光分割器１２４７から反射されて基準鏡１２４６に再入射する。
また、被検体１２０１に投射されたビームは、被検体１２０１から反射されて光分割器１２４７に再入射し、光分割器１２４７を透過して基準鏡１２４６に入射する。
ここで、基準鏡１２４６に再入射したビームと被検体１２０１から反射されて基準鏡１２４６に入射したビームとの間に干渉が発生する。
基準鏡１２４６に再入射したビームと入射したビームは、対物レンズ１２４５を透過して結像レンズ１２４９に照射される。
結像レンズ１２４９に照射されたビームは、撮像部１２５０に入射する。
撮像部１２５０に入射したビームは、絞り（Iris）１２５５に照射される。
絞り１２５５に照射されたビームは、絞り１２５５により入射量が調節されてカメラ１２５１に入射し、カメラ１２５１の撮像素子により撮像される。
【００７４】
レーザー装置１２１１から放出された特定周波数のビームのそれぞれから干渉縞を獲得すると、制御部１２２０は、レーザー装置１２１１に印加される電流を遮断してシャッター１２３１を閉じ、レーザー装置１２１２に電流を印加してシャッター１２３２を開く。
こうすると、レーザー装置１２１２から放出されたビームは、シャッター１２３２を通過して光学装置部１２４０に照射される。
光学装置部１２４０に照射されたビームは、光分割器１２４２により反射されて視準レンズ（ＣＬ）１２４３に照射される。
視準レンズ１２４３に照射されたビームは、レーザー装置１２１１から放出されたビームと同じ光経路を経てカメラ１２５１に入射し、カメラ１２５１の撮像素子により撮像される。
【００７５】
図２３は、本発明に係る形状測定方法の好適な一実施例を示すフローチャートである。
【００７６】
図２３を参照すると、制御部１２０は、複数のレーザー装置１１１，１１６のいずれか一方のレーザー装置を稼働するために一つのレーザー装置１１１を選択し、レーザー装置１１１に電流を印加する（Ｓ１３００）。
そして、制御部１２０は、電流の印加されたレーザー装置１１１から放出されるビームを遮断するシャッター１３１を開く（Ｓ１３１０）。
制御部１２０は、稼働したレーザー装置１１１を通じて特定周波数のビームを放出させる（Ｓ１３２０）。
ここで、制御部１２０は、稼働したレーザー装置１１１が生成したビームの波長を検出し、検出された波長に基づいてレーザー装置１１１に印加される電流を調節し、生成したビームの共鳴周波数が検出されるか否かを確認し、生成したビームの共鳴周波数が検出された場合には、レーザー装置１１１は、生成したビームを特定周波数のビームとして放出する。光学装置部１４０は、レーザー装置１１１から放出されたビームを被検体１０１に投射させて干渉縞を生成し、撮像部１５０は、生成された干渉縞を撮像し、撮像された干渉縞を制御部が獲得する（Ｓ１３３０）。
【００７７】
制御部１２０は、獲得された干渉縞の個数が予め設定された値と同一か否かを確認する（Ｓ１３４０）。
同一でないと、制御部１２０は段階Ｓ１３２０に戻る。同一であると、獲得された干渉縞から被検体１０１の形状情報を算出できるか否かを確認する（Ｓ１３５０）。
算出可能でない場合は、制御部１２０は、開いたシャッター１３１を閉じる（Ｓ１３６０）。
そして、制御部１２０は、稼働したレーザー装置１１１に印加される電流の供給を中断する（Ｓ１３７０）。
制御部１２０は、複数のレーザー装置のうちのいずれか他方のレーザー装置１１６に電流を印加する（Ｓ１３８０）。
そして、制御部１２０は、段階Ｓ１３１０以降の段階を再び行う。算出可能な場合には、制御部１２０は、特定周波数と各特定周波数のビームから獲得された干渉縞に基づいて形状情報を算出する（Ｓ１３９０）。
【００７８】
以上では好ましい実施例及び図面に上げて本発明を説明してきたが、本発明は、上記特定の実施例に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱しない限度内で、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者にとっては様々な変形実施が可能であり、それらの変更はいずれも特許請求の範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明に係る形状測定装置及びその方法によれば、安定した周波数を放出する複数個の多チャネル周波数スキャニングレーザー装置を用いて光を放出するため、高さの大きい被検体の形状を正確で精密に測定することができる。
また、本発明による形状測定装置及びその方法は、基準面の位置移動を要求せず、これにより、基準面の位置移動による時間所要及び誤差発生を防止し、被検体の形状を迅速で正確に測定することができる。
【図１】
2011511928.tif 000007
【図２】
2011511928.tif 000008
【図３】
2011511928.tif 000009
【図４】
2011511928.tif 000010
【図５】
2011511928.tif 000011
【図６】
2011511928.tif 000012
【図７】
2011511928.tif 000013
【図８】
2011511928.tif 000014
【図９】
2011511928.tif 000015
【図１０】
2011511928.tif 000016
【図１１】
2011511928.tif 000017
【図１２】
2011511928.tif 000018
【図１３】
2011511928.tif 000019
【図１４】
2011511928.tif 000020
【図１５】
2011511928.tif 000021
【図１６】
2011511928.tif 000022
【図１７】
2011511928.tif 000023
【図１８】
2011511928.tif 000024
【図１９】
2011511928.tif 000025
【図２０】
2011511928.tif 000026
【図２１】
2011511928.tif 000027
【図２２】
2011511928.tif 000028
【図２３】
2011511928.tif 000029
【国際調査報告】
2011511928.tif 000030
2011511928.tif 000031