(57)【要約】【課題】  位相シフト光干渉を用いて対象物の変位を測定する際、４つの位相シフト光路の生成に３つのビームスプリッタを用いていたため、干渉計が大きくなり、適用対象が限られていた。また、位相シフト光路間に温度分布、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測定誤差となってしまうという本質的な問題を抱えていた。【解決手段】  ４つの位相シフト光路を、４分割プリズムとアレイ状に配置したフォトニック結晶λ/４素子及びフォトニック結晶偏光素子とを組み合わせて空間的に並列生成する構成とすることにより、小形の光干渉変位センサを構築し、適用対象を拡大すると共に外乱の影響を受けることなく、対象物の微小変位や表面凹凸をサブナノメートル以下の分解能でかつ高い再現性で測定する。【選択図】  図１
2008286518.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を第１の光と第２の光に分離し、該第１の光を移動可能な対象物に照射し、該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、該複数の干渉光から前記対象物の移動量を求めることを特徴とする変位計測方法。
【請求項２】
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方法は、偏光素子アレイであることを特徴とする請求項１記載の変位計測方法。
【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記載の変位計測方法。
【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記載の変位計測方法。
【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記載の変位計測方法。
【請求項６】
光源と、光源からの光を第１の光と第２の光に分離する手段と、該第１の光を移動可能な対象物に照射する照射手段と、該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と、該複数の干渉光から前記対象物の移動量を求める移動量検出手段とを備えたことを特徴とする変位計測装置。
【請求項７】
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、偏光素子アレイであることを特徴とする請求項６記載の変位計測装置。
【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記載の変位計測装置。
【請求項９】
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６記載の変位計測装置。
【請求項１０】
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６記載の変位計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光干渉を用いて対象物の変位を計測する方法とその装置に係り、特にレーザ光を対象物に照射し、その反射光を参照光と干渉させ、得られた干渉信号から対象物の変位量を計測する変位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（ＳＰＭ：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。
【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）
【発明の開示】
【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、変位計測装置を、光源と、光源からの光を第１の光と第２の光に分離する手段と、該第１の光を移動可能な対象物に照射する照射手段と、該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と、該複数の干渉光から前記対象物の移動量を求める移動量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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
【００１３】
本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。
【実施例１】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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６５ｎｍ、高さは１６５ｎｍとした。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、 ＳｉＯ２、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）。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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  Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）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、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１９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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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６００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。
【００２８】
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】
【００２９】
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７００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ＡＦＭ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ＸＹＺ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。
【００３０】
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１５０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４０５ｎｍ）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。
【００３１】
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。
【００３２】
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４１０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。
【００３３】
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２００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。
【００３４】
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１７０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１９０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。
【００３５】
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１６０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。
【００３６】
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。
【００３７】
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９００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４２０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ＡＦＭ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。
【００３８】
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１７９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。
【００３９】
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。
【００４０】
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】
【００４１】
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。
【００４２】
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３５０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２１０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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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１００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。
【００４６】
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２１５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。
【００４７】
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。
【００４８】
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】
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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１４４ｎｍ、線幅は６５ｎｍ、高さは１６５ｎｍとした。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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８４ｂ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。
【００５７】
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８９ａ、８９ｂ、８９ｃ、８９ｄ、８９ｅ、８９ｆ、８９ｇ、８９ｈとして出力される。図１１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１０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。
【００５８】
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（４πｎＤ／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（４πｎＤ／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（４πｎＤ／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（４πｎＤ／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１４）
本実施例では、参照ミラー９として回折偏光素子（Ｗｉｒｅ  Ｇｒｉｄ  Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）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。
【００５９】
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。
【００６０】
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６００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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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】
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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  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６５ｎｍ、高さは１６５ｎｍとした。
【００６８】
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１０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）。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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２１８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。
【００７３】
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２２１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。
【００７４】
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。
【００７５】
本実施例では、参照ミラー９として回折偏光素子（Ｗｉｒｅ  Ｇｒｉｄ  Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）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。
【００７６】
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６ｍ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。
【００７７】
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。
【００７８】
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】
【００７９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【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。
【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、１２ｙ、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、８３、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、１００ｚ・・・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    ２１５・・・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】
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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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【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】
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【図１３】
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【図１４】
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