(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体レーザー光源からのレーザー光に対して波長変換を行うことにより紫外線レーザー光を発生させる紫外線レーザー光発生手段と、
上記紫外線レーザー光を用いたヘテロダイン検出により計測対象物の構造を計測する計測手段とを備え、
上記計測手段は、上記紫外線レーザー光を、計測対象物に照射される検出光と、ヘテロダイン検出を行うための参照光とに分割し、上記参照光のパワーが上記検出光のパワーよりも大きくなるように分割する光分割手段と、上記参照光に対して所定のキャリア周波数ｆ１の分だけ周波数シフトを施すとともに、上記検出光に対して所定のキャリア周波数ｆ２の分だけ周波数シフトを施す周波数シフト手段と、上記周波数シフトが施された検出光が計測対象物によって反射されて戻ってきた戻り光と、上記周波数シフトが施された参照光との干渉によって得られる、上記参照光に対して周波数シフトを施したキャリア周波数ｆ１と上記検出光に対して周波数シフトを施したキャリア周波数ｆ２との差の周波数のヘテロダイン信号を検出する光検出器とを備える計測装置。
【請求項２】
上記光分割手段は、検出光のパワーを１としたとき、参照光のパワーが１００以上となるように、上記紫外線レーザー光を分割する請求項１記載の計測装置。
【請求項３】
上記光分割手段は、計測対象物に照射される検出光のパワーが１μＷ以下となるように、上記紫外線レーザー光を分割する請求項２記載の計測装置。
【請求項４】
上記周波数シフト手段として、音響光学変調器を備える請求項１記載の計測装置。
【請求項５】
上記計測手段は、検出光と参照光の少なくともいずれか一方を位相シフトさせる位相シフト手段を備える請求項１記載の計測装置。
【請求項６】
上記位相シフト手段として、電気光学位相変調器を備える請求項５記載の計測装置。
【請求項７】
上記位相シフト手段は、検出光及び／又は参照光の光路中に配されたミラーと、当該ミラーの位置を制御するミラー位置制御手段とを備え、ミラー位置制御手段によってミラーの位置を制御することにより、検出光及び／又は参照光の位相をシフトさせる請求項５記載の計測装置。
【請求項８】
上記固体レーザー光源は、単一縦モード発振する請求項１記載の計測装置。
【請求項９】
上記固体レーザー光源は、半導体レーザーからのレーザー光によって励起されてレーザー光を出射する半導体レーザー励起型固体レーザーである請求項１記載の計測装置。
【請求項１０】
上記半導体レーザー励起型固体レーザーは、モノリシックリング型光共振器を備え、当該モノリシックリング型光共振器に半導体レーザーからのレーザー光が入射されることにより、レーザー媒質が励起されてレーザー光を出射するようになされている請求項９記載の計測装置。
【請求項１１】
上記半導体レーザー励起型固体レーザーは、モノリシックリング型光共振器内の光路が非同一面となるようになされている請求項１０記載の計測装置。
【請求項１２】
上記固体レーザー光源は、半導体レーザーと波長選択素子とを備え、
半導体レーザーからのレーザー光を波長選択素子を介して出射することにより、単一周波数のレーザー光を出射するようになされている請求項１記載の計測装置。
【請求項１３】
上記紫外線レーザー光発生手段は、複数段階の波長変換を行うことにより、紫外線レーザー光を発生させる請求項１記載の計測装置。
【請求項１４】
上記波長変換を行う手段として、リング型光共振器とされた非線形光学素子を備え、
上記固体レーザー光源からのレーザー光を上記非線形光学素子内で共振させるとともに、当該非線形光学素子により高調波発生又は和周波発生を行うことにより、上記波長変換を行う請求項１記載の計測装置。
【請求項１５】
上記波長変換を行う手段として、複数のミラーから構成される光共振器と、当該光共振器内に配された非線形光学素子とを備え、
上記固体レーザー光源からのレーザー光を上記光共振器内で共振させるとともに、上記非線形光学素子による高調波発生又は和周波発生を行うことにより、上記波長変換を行う請求項１記載の計測装置。
【請求項１６】
上記光共振器を構成するミラーの位置を制御する位置制御手段を備える請求項１５記載の計測装置。
【請求項１７】
上記計測手段は、計測対象物を移動操作する移動手段を備え、
上記移動手段は、計測対象物の構造を計測する際に、上記紫外線レーザー光の光スポットが計測対象物上を走査するように、計測対象物を移動操作する請求項１記載の計測装置。
【請求項１８】
上記計測手段は、上記紫外線レーザー光を偏向させて当該紫外線レーザー光の進行方向を制御する偏向手段を備え、
上記偏向手段は、計測対象物の構造を計測する際に、上記紫外線レーザー光が計測対象物上の所定位置に入射するように当該紫外線レーザー光を偏向させる請求項１記載の計測装置。
【請求項１９】
上記偏向手段は、計測対象物の構造を計測する際に、上記紫外線レーザー光の光スポットが計測対象物上を走査するように当該紫外線レーザー光を偏向させる請求項１８記載の計測装置。
【請求項２０】
上記光検出器は、Ｓｉ−ＰＩＮフォトダイオード、Ｓｉ−ＡＰＤフォトダイオード又はＧａＮフォトダイオードからなる請求項１記載の計測装置。
【請求項２１】
上記計測手段は、計測対象物上に複数の検出光スポットを形成し、それらの戻り光を複数の光検出器によって検出する請求項１記載の計測装置。
【請求項２２】
上記複数の光検出器は、Ｓｉ−ＰＩＮフォトダイオードアレー、Ｓｉ−ＡＰＤフォトダイオードアレー又はＧａＮフォトダイオードアレーからなる請求項２１記載の計測装置。
【請求項２３】
上記計測手段は、上記紫外線レーザー光を計測対象物上に集光する集光手段として、石英又は螢石からなる対物レンズを備える請求項１記載の計測装置。
【請求項２４】
上記計測手段は、上記紫外線レーザー光を計測対象物上に集光する集光手段として対物レンズを備えるとともに、当該対物レンズの表面を保護する交換可能な保護カバーを備える請求項１記載の計測装置。
【請求項２５】
固体レーザー光源からのレーザー光に対して波長変換を行うことにより紫外線レーザー光を発生させ、
上記紫外線レーザー光を、計測対象物に照射される検出光と、ヘテロダイン検出を行うための参照光とに分割し、上記参照光のパワーが上記検出光のパワーよりも大きくなるように分割し、
上記参照光に対して所定のキャリア周波数ｆ１の分だけ周波数シフトを施すとともに、上記検出光に対して所定のキャリア周波数ｆ２の分だけ周波数シフトを施し、
上記周波数シフトが施された検出光が計測対象物によって反射されて戻ってきた戻り光と、上記周波数シフトが施された参照光との干渉によって得られる、上記参照光に対して周波数シフトを施したキャリア周波数ｆ１と上記検出光に対して周波数シフトを施したキャリア周波数ｆ２との差の周波数のヘテロダイン信号を検出する計測方法。
【請求項２６】
ヘテロダイン検出を行う際に、上記紫外線レーザー光を対物レンズによって計測対象物上に集光するとともに、対物レンズと計測対象物との間に液体を配する請求項２５記載の計測方法。
【請求項２７】
上記液体として、計測対象物と化学反応を起こす液体を用いる請求項２６記載の計測方法。
【請求項２８】
上記対物レンズに、交換可能な保護カバーを取り付けておく請求項２６記載の計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー光を用いたヘテロダイン検出又はホモダイン検出により計測対象物の構造を計測する計測装置及び計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、計測対象物の構造を計測するのには、光学顕微鏡が広く使用されている。通常の光学顕微鏡では、計測対象物に観察光を照射し、当該観察光が計測対象物を透過してきた光の強度分布、或いは当該観察光が計測対象物によって反射された光の強度分布を観察する。このような光学顕微鏡の解像限界は、光学的な回折限界によって決まる。すなわち、観察光の波長をλ、対物レンズの開口数をＮＡとしたとき、光の強度分布だけを観察する光学顕微鏡において、解像限界の空間波長はλ／２×ＮＡで表される。そして、このような光学顕微鏡では、解像限界近くでは、観察光が非常に微弱になり、観察が難しくなるという問題があった。
【０００３】
これに対して、微弱な光でも微細な構造の計測を可能とする手法として、ヘテロダイン検出又はホモダイン検出により計測対象物の構造を計測する手法が考案されている。ヘテロダイン検出やホモダイン検出では、可干渉性に優れたレーザー光を観察光として用い、当該レーザー光の位相情報を利用することで、微弱光での微細な構造の計測が可能となる。
【０００４】
このように光の位相情報を用いる手法の原理は、例えば、The antenna properties of optical heterodyne receivers, Appl.Opt.,vol.5 (1966) 1588-1594 に示されている。また、Probing of Acoustic Perturbations by Coherent Light, Appl.Opt.,vol.8 (1969) 1572-1573 には、キャリア信号ｆ1の音響光学素子による波長シフトを用い、周波数ｆ1のビート信号を同期検波することにより、計測対象物からの反射光の強度と位相を測定する手法が示されている。
【０００５】
また、米国特許USP3796495「Apparatus and Methods for Scanning Phase Profilometry」には、横方向にシフトさせた２つのビームで微分ヘテロダイン検出を行う手法が開示されている。また、米国特許USP4171159「Optical Homodyne Microscope」には、ピエゾ素子によるメカニカルな位相変調でホモダイン検出を行う手法が開示されている。また、米国特許USP4353650「Laser Heterodyne Surface Profiler」には、参照光と検出光の双方を計測対象物に照射して、参照光を中心に計測対象物を回転させ位相検出を行う手法が開示が示されている。また、米国特許USP4627730や米国特許USP4848908には、参照光と検出光の双方を計測対象物に照射して光路のコモンパス化を行い、耐振動性を改善する手法が開示が示されている。また、特開平7-248203号公報には、ヘテロダイン検出を利用したレーザー走査顕微鏡が開示されている。
【０００６】
また、光学 Vol27,1 (1998) 40-47 には、「光ヘテロダイン検出法を用いた模擬生体試料（イントラリピッド10%）の可視部から近赤外域における分光透過特性の測定」として、可視光領域でのヘテロダイン検出によって模擬生体試料を観察した結果が示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ヘテロダイン検出又はホモダイン検出を利用することで、微弱光で微細な構造を計測することが可能となる。しかしながら、より微細な構造を計測できた方が有用であることは言うまでもない。また、計測対象物の構造を計測するにあたって、計測対象物の面内方向の構造だけでなく、計測対象物の深さ方向の構造についても計測できれば更に有用である。
【０００８】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、ヘテロダイン検出又はホモダイン検出を利用して計測対象物の構造を計測する計測装置及び計測方法として、より微細な構造を計測することが可能な計測装置及び計測方法、並びに、計測対象物の深さ方向の構造についても計測することが可能な計測装置及び計測方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る計測装置は、固体レーザー光源からのレーザー光に対して波長変換を行うことにより紫外線レーザー光を発生させる紫外線レーザー光発生手段と、上記紫外線レーザー光を用いたヘテロダイン検出により計測対象物の構造を計測する計測手段とを備え、上記計測手段は、上記紫外線レーザー光を、計測対象物に照射される検出光と、ヘテロダイン検出を行うための参照光とに分割し、上記参照光のパワーが上記検出光のパワーよりも大きくなるように分割する光分割手段と、上記参照光に対して所定のキャリア周波数ｆ１の分だけ周波数シフトを施すとともに、上記検出光に対して所定のキャリア周波数ｆ２の分だけ周波数シフトを施す周波数シフト手段と、上記周波数シフトが施された検出光が計測対象物によって反射されて戻ってきた戻り光と、上記周波数シフトが施された参照光との干渉によって得られる、上記参照光に対して周波数シフトを施したキャリア周波数ｆ１と上記検出光に対して周波数シフトを施したキャリア周波数ｆ２との差の周波数のヘテロダイン信号を検出する光検出器とを備えることを特徴とする。具体的には例えば、検出光のパワーを１としたとき、参照光のパワーが１００以上となるように、上記紫外線レーザー光を分割すると良い。また、特に計測対象物が紫外線によってダメージを受けるような恐れがある場合には、参照光のパワーが検出光のパワーよりも大きくなるようにして、計測対象物に照射される検出光のパワーが１μＷ程度以下となるようにすると良い。なお、紫外線レーザー光とは、具体的には、１８０〜３６０ｎｍ程度の波長のレーザー光のことである。
【００１０】
上記計測装置において、固体レーザー光源は、単一縦モード発振するものであることが好ましい。
【００１１】
また、上記計測装置において、固体レーザー光源としては、例えば、半導体レーザーからのレーザー光によって励起されてレーザー光を出射する半導体レーザー励起型固体レーザーが好適である。そして、半導体レーザー励起型固体レーザーとしては、例えば、モノリシックリング型光共振器を備え、当該モノリシックリング型光共振器に半導体レーザーからのレーザー光が入射されることにより、レーザー媒質が励起されてレーザー光を出射するようなものが好適である。ここで、モノリシックリング型光共振器内の光路は非同一面となるようになされていることが好ましい。
【００１２】
また、上記計測装置において、固体レーザー光源としては、例えば、半導体レーザーと波長選択素子とを備え、半導体レーザーからのレーザー光を波長選択素子を介して出射することにより、単一周波数のレーザー光を出射するようになされているようなものも好適である。
【００１３】
また、上記計測装置において、紫外線レーザー光発生手段は、複数段階の波長変換を行うことにより、紫外線レーザー光を発生させるようになされていても良い。
【００１４】
また、上記計測装置において、上記波長変換を行う手段としては、リング型光共振器とされた非線形光学素子が好適である。このときは、固体レーザー光源からのレーザー光を上記非線形光学素子内で共振させるとともに、当該非線形光学素子により高調波発生又は和周波発生を行うことにより、上記波長変換を行う。
【００１５】
また、上記計測装置は、上記波長変換を行う手段として、複数のミラーから構成される光共振器と、当該光共振器内に配された非線形光学素子とを備えていても良い。このときは、上記固体レーザー光源からのレーザー光を上記光共振器内で共振させるとともに、上記非線形光学素子による高調波発生又は和周波発生を行うことにより、上記波長変換を行う。なお、このときは、上記光共振器を構成するミラーの位置を、位置制御手段によって精密に制御するするようにした方が良い。
【００１６】
また、上記計測装置は、計測対象物を移動操作する移動手段を備えていても良い。ここで、移動手段は、例えば、計測対象物の構造を計測する際に、上記紫外線レーザー光の光スポットが計測対象物上を走査するように、計測対象物を移動操作する。
【００１７】
また、計測装置は、上記紫外線レーザー光を偏向させて当該紫外線レーザー光の進行方向を制御する偏向手段を備えていても良い。ここで、偏向手段は、例えば、計測対象物の構造を計測する際に、上記紫外線レーザー光が計測対象物上の所定位置に入射するように当該紫外線レーザー光を偏向させる。或いは、偏向手段は、例えば、計測対象物の構造を計測する際に、上記紫外線レーザー光の光スポットが計測対象物上を走査するように当該紫外線レーザー光を偏向させる。
【００１９】
そして、ヘテロダイン検出を行う場合、上記計測装置の計測手段には、検出光と参照光の少なくともいずれか一方を周波数シフトさせる周波数シフト手段が設けられる。ここで、周波数シフト手段としては、音響光学変調器が好適である。
【００２０】
また、ホモダイン検出を行う場合、上記計測装置の計測手段には、検出光と参照光の少なくともいずれか一方を位相シフトさせる位相シフト手段が設けられる。ここで、位相シフト手段としては、電気光学位相変調器が好適である。また、位相シフト手段としては、検出光及び／又は参照光の光路中に配されたミラーと、当該ミラーの位置を制御するミラー位置制御手段とを備え、ミラー位置制御手段によってミラーの位置を制御することにより、検出光及び／又は参照光の位相をシフトさせるようなものも好適である。
【００２２】
また、上記計測装置において、上記計測手段は、例えば、検出光が計測対象物によって反射されて戻ってきた戻り光と、ヘテロダイン検出又はホモダイン検出を行うための参照光とを受光し検出する光検出器を備え、上記光検出器によって、戻り光と参照光の干渉によって得られるヘテロダイン信号又はホモダイン信号を検出する。ここで、光検出器としては、例えば、Ｓｉ−ＰＩＮフォトダイオード、Ｓｉ−ＡＰＤフォトダイオード又はＧａＮフォトダイオード等が好適である。
【００２３】
また、上記計測装置において、上記計測手段は、計測対象物上に複数の検出光スポットを形成し、それらの戻り光を複数の光検出器によって検出するようになされていても良い。ここで、複数の光検出器は、例えば、Ｓｉ−ＰＩＮフォトダイオードアレー、Ｓｉ−ＡＰＤフォトダイオードアレー又はＧａＮフォトダイオードアレーによって構成する。
【００２４】
また、上記計測装置において、上記計測手段は、上記紫外線レーザー光を計測対象物上に集光する集光手段として、石英又は螢石からなる対物レンズを備えていることが好ましい。また、上記計測手段は、上記紫外線レーザー光を計測対象物上に集光する集光手段として対物レンズを備えるとともに、当該対物レンズの表面を保護する交換可能な保護カバーを備えていても良い。
【００２５】
また、上記計測装置は、上記紫外線レーザー光発生手段として、出射する紫外線レーザー光の波長が異なる２つの紫外線レーザー光発生手段を備えていても良い。このとき、上記計測手段は、例えば、一方の紫外線レーザー光発生手段から出射された第１の紫外線レーザー光を計測対象物に照射するとともに、他方の紫外線レーザー光発生手段から出射された第２の紫外線レーザー光を、上記第１の紫外線レーザー光が計測対象物によって反射されて戻ってきた戻り光と干渉させることにより、ヘテロダイン検出を行う。
【００２６】
また、本発明に係る計測方法は、固体レーザー光源からのレーザー光に対して波長変換を行うことにより紫外線レーザー光を発生させ、上記紫外線レーザー光を、計測対象物に照射される検出光と、ヘテロダイン検出を行うための参照光とに分割し、上記参照光のパワーが上記検出光のパワーよりも大きくなるように分割し、上記参照光に対して所定のキャリア周波数ｆ１の分だけ周波数シフトを施すとともに、上記検出光に対して所定のキャリア周波数ｆ２の分だけ周波数シフトを施し、上記周波数シフトが施された検出光が計測対象物によって反射されて戻ってきた戻り光と、上記周波数シフトが施された参照光との干渉によって得られる、上記参照光に対して周波数シフトを施したキャリア周波数ｆ１と上記検出光に対して周波数シフトを施したキャリア周波数ｆ２との差の周波数のヘテロダイン信号を検出することを特徴とする。
【００２７】
上記計測方法において、ヘテロダイン検出又はホモダイン検出を行う際に、上記紫外線レーザー光を対物レンズによって計測対象物上に集光するとともに、対物レンズと計測対象物との間に液体を配するようにしても良い。このとき、上記液体として、計測対象物と化学反応を起こす液体を用いるようにしても良い。また、対物レンズと計測対象物との間に液体を配する場合には、上記対物レンズに、交換可能な保護カバーを取り付けておくと良い。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３４】
１．ヘテロダイン検出により計測対象物の構造を計測する計測装置
本発明を適用し、ヘテロダイン検出により計測対象物の構造を計測するようにした計測装置の一例を図１に示す。この計測装置１は、ヘテロダイン検出により、非常に微弱な光で微細な構造を計測することが可能な計測装置であり、例えば、半導体素子、液晶素子、光メモリ又は磁気メモリ等のように微細な構造を有する素子を検査するような用途において特に有用である。また、この計測装置１は、非接触型の計測装置であり、計測対象物２にダメージを与えるようなことがないので、比較的にダメージを受けやすい生体等の観察用としても有用である。
【００３５】
そして、この計測装置１は、固体レーザー光源からのレーザー光に対して波長変換を行うことにより紫外線レーザー光を発生させる紫外線レーザー光発生手段３と、紫外線レーザー光発生手段３から出射された紫外線レーザー光を用いたヘテロダイン検出により計測対象物２の構造を計測するヘテロダイン計測手段４とを備えている。
【００３６】
１−１  紫外線レーザー光発生手段
上記紫外線レーザー光発生手段３は、固体レーザー光源からのレーザー光に対して波長変換を行うことにより、直線偏光の紫外線レーザー光を発生させ出射する。このような紫外線レーザー光発生手段の一例を図２に示す。
【００３７】
図２に示す紫外線レーザー光発生手段３は、グリーンレーザー光を発生させるグリーンレーザー光発生部１１と、グリーンレーザー光発生部１１からのグリーンレーザー光に波長変換を施して紫外線レーザー光を発生させる紫外線レーザー光発生部１２とを備える。
【００３８】
グリーンレーザー光発生部１１では、先ず、半導体レーザー１３から波長λ＝８０８ｎｍの高出力レーザー光が出射される。この高出力レーザー光は、集光レンズ１４によって集光された上で、ノンプレーナ・モノリシックリング型のＮｄ：ＹＡＧレーザー１５に、当該Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１５を励起させる励起光として入射する。これにより、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１５は励起され、波長λ＝１０６４ｎｍの赤外線レーザー光を発振する。このとき、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１５には、外部磁場を印加しておく。これにより、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１５は一方向のみに縦単一モードで発振する。このような発振の原理は、例えば米国特許USP4749842に開示されている。
【００３９】
なお、ここでは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１５として、モノリシックリング型のものを採用している。モノリシックリング型の光共振器は、発振安定性が高く、T.Kane et.al.Opt Lett Vol. 10 (1985) pp65 に示されているように、優れた時間コヒーレンス特性を示す。したがって、モノリシックリング型のＮｄ：ＹＡＧレーザー１５は、ヘテロダイン検出やホモダイン検出での計測を行うための光源として非常に好適である。また、このＮｄ：ＹＡＧレーザー１５において、共振器内の光路は、非同一面となるようになされていることが好ましい。共振器内の光路を非同一面とすることにより、赤外線レーザー光の発振をより安定なものとすることができる。
【００４０】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１５から出射された赤外線レーザー光は、モードマッチングレンズ１６を介して、モノリシックリング型のＭｇＯ：ＬＮ結晶１７に入射する。そして、波長λ＝１０６４ｎｍの赤外線レーザー光が入射されたＭｇＯ：ＬＮ結晶１７は、波長λ＝５３２ｎｍの第二高調波を発生させる。ここで、ＭｇＯ：ＬＮ結晶１７は、波長λ＝１０６４ｎｍの赤外線レーザー光に対して光共振器を構成するようにしておく。光共振器内部での高いパワー密度を利用すれば、高効率な波長変換を連続波で実現できる。具体的には、赤外線レーザー光の波長と、ＭｇＯ：ＬＮ結晶１７の内部における共振波長とを一致させて光共振器を構成することにより、６５％程度の高効率にて第二高調波を発生させることができる。
【００４１】
そして、ＭｇＯ：ＬＮ結晶１７での第二高調波発生により、波長λ＝１０６４ｎｍの赤外線レーザー光に対して波長変換が施されてなる波長λ＝５３２ｎｍのグリーンレーザー光は、光反射ミラー１８によって反射され、レンズ１９によって所定のビーム径に整形された上で、グリーンレーザー光発生部１１から出射される。
【００４２】
以上のような構成を有するグリーンレーザー光発生部１１では、時間コヒーレンス特性に優れたグリーンレーザー光を、非常に高効率にて発生させることができる。なお、上記グリーンレーザー光発生部１１において、半導体レーザー１３から１Ｗのレーザー光を出射するようにした場合には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１５により５００ｍＷ程度の赤外線レーザー光が発生し、ＭｇＯ：ＬＮ結晶１７により２００ｍＷ程度のグリーンレーザー光が発生する。このように、上記グリーンレーザー光発生部１１は非常に効率が良い。しかも、半導体レーザー１３の電気効率は、ガスレーザー等に比べて遥かに高く、およそ３０％程度である。したがって、制御回路等での消費電力を含めたとしても、グリーンレーザー光発生部１１での消費電力は非常に少なくて済む。
【００４３】
以上のようにグリーンレーザー光発生部１１によって生成されたグリーンレーザー光は、紫外線レーザー光発生部１２に入射する。紫外線レーザー光発生部１２では、非線形光学素子であるＢＢＯ２１を用いて、グリーンレーザー光の第二高調波を発生させることで、波長λ＝２６６ｎｍの紫外線レーザー光を発生させる。すなわち、紫外線レーザー光発生部１２では、グリーンレーザー光を基本波とし、ＢＢＯ２１によって第二高調波として紫外線レーザー光を発生させる。
【００４４】
ＢＢＯ２１は、波長λ＝１９０ｎｍの遠紫外域まで光を透過し、レーザーダメージにも強く、複屈折が大きいため、広い波長範囲で第二高調波発生が可能であり、遠紫外域における第二高調波発生用素子として非常に好適である。しかし、ＢＢＯ２１で波長λ＝２６６ｎｍの第二高調波を発生させるときには角度位相整合が必要であり、ＭｇＯ：ＬＮ結晶１７のように温度位相整合ができないため、グリーンレーザー光発生部１１のようにモノリシックリング型の結晶を用いて第二高調波を発生させるようなことは困難である。そこで、紫外線レーザー光発生部１２では、４つの独立したミラー２２，２３，２４，２５を備えたリング型の光共振器２６を用い、外部共振型にて第二高調波発生を行う。
【００４５】
紫外線レーザー光発生部１２に入射した基本波（すなわちグリーンレーザー光）は、位相変調器２７及びモードマッチングレンズ１８を介して、光共振器２６に入射する。ここで、光共振器２６は、第１乃至第４のミラー２２，２３，２４，２５によって構成されており、第１のミラー２２と第２のミラー２３との間にＢＢＯ２１が配される。
【００４６】
そして、基本波は、第１のミラー２２を介して光共振器２６の中に導入される。このとき、基本波の一部は、第１のミラー２２によって反射され、更にミラー２９によって光検出器３０に向けて反射され、当該光検出器３０によって検出される。一方、第１のミラー２２を透過して光共振器２６の内部に導入された光は、先ず、ＢＢＯ２１を介して第２のミラー２３に向かい、次に、第２のミラー２３によって第３のミラー２４へ向けて反射され、次に、第３のミラー２４によって第４のミラー２５へ向けて反射され、次に、第４のミラー２５によって第１のミラー２２へ向けて反射され、その後、第１のミラー２２によって反射されて、再びＢＢＯ２１を介して第２のミラー２３に向かう。なお、このような光共振器２６を構成する各ミラー２１，２２，２３，２４には、例えば、表１に示すような仕様のものを用いる。
【００４７】
【表１】
0004438111.tif 000002
【００４８】
上記光共振器２６の第１のミラー２２によって反射された基本波は、上述したように、光検出器３０によって検出される。そして、光共振器２６の第１のミラー２２によって反射された基本波を光検出器３０で検出することにより得られた検出信号は、制御回路３１に送られる。また、上記紫外線レーザー光発生部１２において、位相変調器２７は、位相変調器駆動回路２８からの変調信号により、光共振器２６に入射する基本波を位相変調する。そして、制御回路３１は、上記検出信号を上記変調信号で同期検波することにより、光共振器２６の光路位相差の誤差信号を検出し、当該誤差信号に基づいて、光共振器２６の共振器長が常に共振条件を満たすように、電磁アクチュエータ３２を駆動して、第３のミラー２４の位置を連続的に精密に制御する。
【００４９】
以上のようにして第３のミラー２４の位置を連続的に精密に制御することで、光共振器２６が独立した複数のミラー２２，２３，２４，２５から構成されていても、当該光共振器２６の共振器長を、光の波長の数１００分の１という非常に高い精度で制御することができる。そして、このように光共振器２６の共振器長を精密に制御して、共振条件を常に満たすようにすることで、ＢＢＯ２１による第二高調波発生をより効率良く行うことが可能となる。
【００５０】
また、上記光共振器２６では、共振器ロスを低減するため、ＢＢＯ２１に反射防止膜を施しておく。また、共振器ロスを低減するため、表１に示したように、光共振器２６を構成する第２乃至第４のミラー２３，２４，２５として、反射率９９．９％の高反射率ミラーを用いる。ＢＢＯ２１に反射防止膜を施し、且つ、第２乃至第４のミラー２３，２４，２５として反射率９９．９％の高反射率ミラーを用いることで、光共振器２６の共振器ロスを０．５％程度以下に抑えることができる。
【００５１】
以上のような構成を有する紫外線レーザー光発生部１２では、時間コヒーレンス特性に優れた紫外線レーザー光を、非常に高効率にて発生させることができる。実際に、グリーンレーザー光発生部１１から紫外線レーザー光発生部１２に入射されるグリーンレーザー光の出力を２００ｍＷとして、紫外線レーザー光発生部１２により紫外線レーザー光を発生させたところ、５０ｍＷ程度の紫外線レーザー光が得られることが確認された。この５０ｍＷという出力は、ヘテロダイン検出やホモダイン検出を行うための光源としては、十分な出力である。
【００５２】
なお、グリーンレーザー光発生部１１から出射されるグリーンレーザー光の出力が２００ｍＷとなるのは、上述したように、半導体レーザー１３からの出力をおよそ１Ｗとした場合である。したがって、上記紫外線レーザー光発生手段３では、半導体レーザー１３から出射されるレーザー光の出力が１Ｗとなるように半導体レーザー１３に対して駆動電流を供給することで、およそ５０ｍＷの紫外線レーザー光が得られる。５０ｍＷという出力は、ヘテロダイン検出やホモダイン検出を行うための光源としては、十分過ぎるほどの出力であり、実際には、半導体レーザー１３に対する駆動電流を更に下げて低消費電力化しても、ヘテロダイン検出やホモダイン検出を行うのに十分な出力が得られる。
【００５３】
なお、紫外光はフォトンエネルギーが高いため、光共振器内に配したＢＢＯでの第二高調波発生により紫外線レーザー光を発生させるようにすると、光共振器を構成するミラーやＢＢＯなどを劣化させてしまう恐れがある。そのため、従来、光共振器内に配したＢＢＯでの第二高調波発生により紫外線レーザー光を発生させるようにした光源は、寿命が短く信頼性が低いという問題があり、計測装置用の光源として実用化することは難しかった。
【００５４】
しかしながら、本発明者は、ＢＢＯ結晶育成の改善、ＢＢＯに施す反射防止膜の改善、ＢＢＯに入射する光のスポットサイズの最適化、光共振器内の洗浄及び雰囲気の最適化などを図ることにより、図２に示したように光共振器２６の内部に配したＢＢＯ２１で第二高調波発生を行うようにしても、十分な信頼性及び寿命が得られることを確認した。具体的には、上述のような改善及び最適化を図ることにより、１００ｍＷの紫外線レーザー光を発生させた場合に、１０００時間以上安定に動作することが確認され、また、３０ｍＷの紫外線レーザー光を発生させた場合に、５０００時間以上安定に動作することが確認された。これらの結果から、例えば、２０ｍＷの紫外線レーザー光を発生させたときの寿命は、１００００時間程度にも達すると推定される。これだけの寿命があれば、実質的にメンテナンスフリーの光源として取り扱うことができ、計測装置用の光源としても十分に実用化が可能である。
【００５５】
以上のように紫外線レーザー光発生部１２によって生成された紫外線レーザー光は、コリメータレンズ３３により平行光とされ、アナモルフィックプリズムペアー３４によりビーム整形された上で、紫外線レーザー光発生手段３から出射される。なお、アナモルフィックプリズムペアー３４は、紫外線レーザー光発生手段３から出射される紫外線レーザー光のスポット形状が、ほぼ円形のビームとなるようにビーム整形を行う。光共振器２６から出射された紫外線レーザー光は、ＢＢＯ２１の複屈折によるウォークオフ効果により楕円ビームとなっている。そこで、この紫外線レーザー光発生手段３では、アナモルフィックプリズムペアー３４によって、スポット形状がほぼ円形のビームとなるようにビーム整形した上で、紫外線レーザー光を出射するようにしている。
【００５６】
以上のような紫外線レーザー光発生手段３は、固体レーザー光源（Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１５）からのレーザー光に対して、非線形光学素子（ＭｇＯ：ＬＮ結晶１７，ＢＢＯ２１）を用いた第二高調波発生による波長変換を２段階にわたって行うことにより、紫外線レーザー光を発生させるようにしている。すなわち、この紫外線レーザー光発生手段３は、固体素子だけで紫外線レーザー光を発生させる全固体紫外線レーザー光源となっている。
【００５７】
このように固体素子だけで紫外線レーザー光発生手段３を構成することで、小型、高効率、低消費電力、高安定、高ビーム品質の光源を実現することができる。しかも、上記紫外線レーザー光発生手段３では、時間コヒーレンス特性に優れた紫外線レーザー光が得られるので、光の位相情報を利用するヘテロダイン検出及びホモダイン検出用の光源として、非常に好適である。
【００５８】
なお、紫外線レーザー光を発振するレーザー光源としては、例えば、エキシマレーザーやアルゴンレーザー等のガスレーザーもあるが、これらのガスレーザーは、装置が大型であり、しかも効率が悪く消費電力が高いという問題がある。例えば、波長３５１ｎｍで発振するアルゴンレーザーの場合、通常、その効率は０．００１％以下である。これに比べると、全て固体素子から構成されている上記紫外線レーザー光発生手段３は、遥かに高い効率が得られ、しかも、装置を非常に小型にすることができる。
【００５９】
更に、アルゴンレーザーの場合には、大量の冷却水が必要という問題もある。冷却水を循環させると振動が生じてしまうため、大量の冷却水が必要なアルゴンレーザーは、微細構造の計測には不適当である。しかも、アルゴンレーザーは発振波長安定性が悪く、アルゴンレーザーを用いて、ヘテロダイン検出やホモダイン検出を長期にわたり安定に行うことは不可能であった。また、エキシマレーザーの場合には、危険物である弗化物ガスの供給が必要となるという問題もある。更に、エキシマレーザーはピークパワーの高いパルス発振をするので、ヘテロダイン検出やホモダイン検出によって計測対象物の構造を計測する計測装置には不適当であった。
【００６０】
これに対して、上記紫外線レーザー光発生手段３では、固体レーザー光源からのレーザー光に対して波長変換を行うことにより紫外線レーザー光を発生させるようにすることで、エキシマレーザーやアルゴンレーザー等のガスレーザーを用いたときの問題点を全て解決している。
【００６１】
１−２  ヘテロダイン計測手段
上記紫外線レーザー光発生手段３から出射された紫外線レーザー光は、図１に示すように、当該紫外線レーザー光を用いたヘテロダイン検出により計測対象物２の構造を計測するヘテロダイン計測手段４に入射される。
【００６２】
紫外線レーザー光発生手段３から出射されヘテロダイン計測手段４に入射した紫外線レーザー光は、先ず、光分割手段４１に入射する。光分割手段４１は、紫外線レーザー光を、計測対象物２に照射する光（以下、検出光と称する。）と、ヘテロダイン検出を行うための光（以下、参照光と称する。）とに分割するためのものである。ここで、光分割手段４１は、紫外線レーザー光発生手段３から出射された紫外線レーザー光のうち、一部を透過するとともに、残りを反射する。そして、光分割手段４１を透過した光が検出光となり、光分割手段４１によって反射された光が参照光となる。なお、ヘテロダイン検出は、以下の詳細に説明するように、検出光が計測対象物２によって反射されて戻ってきた戻り光と、参照光とを干渉させることにより行われる。
【００６３】
ここで、光分割手段４１の実効的な分割比は、参照光への分岐比率が、検出光への分岐比率よりも大きくなるようにする。具体的には、検出光を１としたとき、参照光をおよそ１００以上となるように分割する。これにより、後述するように、計測対象物２の計測によって得られるヘテロダイン信号のＳＮ比を高めることができる。また、光分割手段４１によって紫外線レーザー光を分割するにあたっては、検出光のパワーが１μＷ程度以下となるようにする。これにより、後述するように、紫外線レーザー光の照射によって計測対象物２にダメージを与えてしまうようなことを回避できる。
【００６４】
ここで、光分割手段４１としては、例えば、基板上に誘電体多層膜が形成されてなり、紫外光を４５度入射させたときに、Ｓ偏光入射の場合には９９．５％以上反射するが、Ｐ偏光入射の場合には１％程度透過するような光反射ミラーを用いる。この場合、当該光反射ミラーに対して、紫外線レーザー光発生手段３からの紫外線レーザー光を、Ｐ偏光入射させる。これにより、紫外線レーザー光発生手段３から出射された紫外線レーザー光は、参照光と検出光とに、およそ１００対１に分割されることとなる。
【００６５】
光分割手段４１によって反射されてなる参照光は、周波数シフター駆動装置４２によって駆動される周波数シフター４３に入射し、周波数シフトが施される。ここで、周波数シフター駆動装置４２は、ヘテロダイン信号処理装置４４からの制御信号に基づいて、所定のキャリア周波数ｆ1にて周波数シフター４３を駆動する。そして、所定のキャリア周波数ｆ1にて駆動される周波数シフター４３に、光分割手段４１によって紫外線レーザー光が分割されてなる参照光が入射することにより、当該参照光に対してキャリア周波数ｆ1の分だけ周波数シフトが施される。
【００６６】
具体的には、例えば、周波数シフター４３として、石英、水晶、ＢＢＯ又はＬＢＯ等を用いた音響光学変調器を用い、当該音響光学変調器を周波数シフター駆動装置４２により、キャリア周波数ｆ1＝２００ＭＨｚにて駆動する。このとき、音響光学変調器でのブラッグ回折の１次回折光が、２００ＭＨｚの周波数シフトが施された参照光として出力される。
【００６７】
周波数シフター４３によって周波数シフトが施された参照光は、光反射ミラー４５によって反射されて１／２波長板４６に入射し、当該１／２波長板４６を透過した後、合波ミラー４７に入射する。なお、１／２波長板４６は、合波ミラー４７上において参照光の偏光方位が検出光の偏光方位と同一になるようにするためのものである。
【００６８】
一方、光分割手段４１を透過してなる検出光は、周波数シフター駆動装置４８によって駆動される周波数シフター４９に入射し、周波数シフトが施される。ここで、周波数シフター駆動装置４８は、ヘテロダイン信号処理装置４４からの制御信号に基づいて、所定のキャリア周波数ｆ2にて周波数シフター４９を駆動する。そして、所定のキャリア周波数ｆ2にて駆動される周波数シフター４９に、光分割手段４１によって紫外線レーザー光が分割されてなる検出光が入射することにより、当該検出光に対してキャリア周波数ｆ2の分だけ周波数シフトが施される。
【００６９】
具体的には、例えば、周波数シフター４９として、石英、水晶、ＢＢＯ又はＬＢＯ等を用いた音響光学変調器を用い、当該音響光学変調器を周波数シフター駆動装置４８により、キャリア周波数ｆ2＝２１２ＭＨｚにて駆動する。このとき、音響光学変調器でのブラッグ回折の１次回折光が、２１２ＭＨｚの周波数シフトが施された検出光として出力される。
【００７０】
なお、ヘテロダイン検出において、検出光の側の周波数シフトは必須ではなく、行わなくてもよい。しかし、上述のように、検出光の側の周波数シフトも行うようにすることで、参照光と検出光の周波数差を精度良く制御でき、ヘテロダイン検出をより高精度に行うことが可能となる。また、検出光の側の周波数シフター４９として、音響光学変調器を用いた場合には、当該音響光学変調器の駆動電圧を調整することにより、計測対象物２に照射する検出光の光強度を制御するようなことも可能となる。
【００７１】
周波数シフター４９によって周波数シフトが施された検出光は、偏光ビームスプリッタ５０に入射し、当該偏光ビームスプリッタ５０によって反射される。そして、偏光ビームスプリッタ５０によって反射された検出光は、ビーム偏向装置５１に入射し、当該ビーム偏向装置５１により光軸の角度偏向がなされる。このビーム偏向装置５１は、計測対象物２に照射される検出光のスポット位置を調整するためのものである。すなわち、ビーム偏向装置５１は、この計測装置１で計測対象物２の構造を計測することで、計測対象物２の所望する部位の画像が得られるように、画像コントローラ５２からの制御信号に基づいて、検出光の光軸の角度偏向を行い、計測対象物２に照射される検出光のスポット位置を調整する。なお、ビーム偏向装置５１に搭載される偏向手段としては、具体的には例えば、ガルバノミラー、ポリゴンミラー又は音響光学偏向器などが挙げられる。
【００７２】
ビーム偏向装置５１により光軸の角度偏向が施された検出光は、１／４波長板５３に入射し、当該１／４波長板５３を透過した後、対物レンズ５４に入射する。なお、１／４波長板５３は、検出光が計測対象物２によって反射されて戻ってきた戻り光が、偏光ビームスプリッタ５０を透過するようにするためのものである。
【００７３】
ここで、対物レンズ５４は、開口数ＮＡが大きい方が好ましく、具体的には、開口数ＮＡが０．４程度以上であることが好ましい。対物レンズ５４の開口数ＮＡが大きい方が、当該対物レンズ５４によって集光され形成される光スポットの径を小さくできるので、計測装置１の分解能をより高めることができる。
【００７４】
また、対物レンズ５４は、紫外域における光透過率が十分に高い光学材料からなるものであることが好ましい。紫外域における光透過率が十分に高い光学材料としては、石英や螢石等が挙げられる。なお、このような特定の光学材料だけで対物レンズ５４を構成する場合には、一般に色収差の補正が困難である。しかし、上記計測装置１では、固体レーザー光源からのレーザー光に対して波長変換を行うことにより得られる、発光線幅の狭い紫外線レーザー光を検出光として用いるので、対物レンズ５４の色収差の問題を回避することができる。具体的には、対物レンズ５４を、検出光と同一波長の光源を用いた干渉計で、予め評価最適化しておく。これにより、対物レンズ５４の色収差の問題を解決することができる。
【００７５】
対物レンズ５４に入射した検出光は、対物レンズ５４によって計測対象物上に集光され、計測対象物上において微小な光スポットを形成する。ここで、計測対象物２は、ステージコントローラ５５によって動作が制御される移動ステージ５６の上にマウントされ、所望する計測領域を検出光スポットが走査するように、移動ステージ５６によって移動操作される。すなわち、計測対象物２の構造を計測する際は、画像コントローラ５２からの制御信号に基づいてステージコントローラ５５によって移動ステージ５６が移動操作され、これにより、対物レンズ５１によって集光されてなる検出光スポットが、計測対象物２を走査することとなる。
【００７６】
ここで、検出光スポットの走査は、上記のように移動ステージ５６によって計測対象物２を移動させることにより行うのではなく、例えば、ビーム偏向装置５１によって検出光照射位置を移動させることにより行うようにしても良いし、或いは、移動ステージ５６による計測対象物２の移動と、ビーム偏向装置５１による検出光照射位置の移動とを組み合わせて行うようにしても良い。
【００７７】
なお、計測対象物２を繰り返し交換して、計測対象物２の検査を行うような場合には、計測対象物２を移動ステージ５６の上に自動的に搬送する搬送手段を設けておくと好ましい。すなわち、例えば、この計測装置１を、ウエハ上に形成された半導体素子、液晶素子、光メモリ又は磁気メモリ等を検査するような場合には、検査対象となるウエハを自動的に移動ステージ５６の上に搬送する搬送手段を設けておくと好ましい。
【００７８】
対物レンズ５４によって集光された検出光は、計測対象物２によって反射されて、計測対象物２の構造についての情報を含んだ光となり、対物レンズ５４に戻ってくる。そして、この戻り光は、対物レンズ５４、１／４波長板５３、ビーム偏向装置５１及び偏光ビームスプリッタを透過して、合波ミラー５０に入射する。
【００７９】
合波ミラー５０は、計測対象物２からの戻り光と参照光とを重ね合わせるためのもであり、ハーフミラーからなる。この合波ミラー５０の一方の面には、周波数シフトが施された参照光が入射し、他方の面には、検出光が計測対象物２によって反射されて戻ってきた戻り光が入射する。そして、合波ミラー５０によって反射された参照光と、合波ミラー５０を透過した戻り光とが、重ね合わさって光検出器５７に入射し、当該光検出器５７によって検出される。また、合波ミラー５０を透過した参照光と、合波ミラー５０によって反射された戻り光とが、重ね合わさって光検出器５８に入射し、当該光検出器５８によって検出される。なお、光検出器５７，５８としては、具体的には、Ｓｉ−ＰＩＮフォトダイオード、Ｓｉ−ＡＰＤフォトダイオード又はＧａＮフォトダイオード等が好適である。
【００８０】
そして、一方の光検出器５７からの出力は、増幅器５９によって増幅された上で比較器６０に入力され、同様に、他方の光検出器５８からの出力も、増幅器６１によって増幅された上で比較器６０に入力される。そして、比較器６０によって、それらの光検出器５７，５８からの出力の差動がとられ差信号が生成され、当該差信号がヘテロダイン信号処理装置４４に入力され、位相情報を含むヘテロダイン信号が検出される。
【００８１】
なお、一方の光検出器５７に入射する参照光及び戻り光と、他方の光検出器５８に入射する参照光及び戻り光とは、合波ミラー５０を介することにより、互いに位相が反転した光となっている。したがって、一方の光検出器５７からの出力と、他方の光検出器５８からの出力とは、極性が反転した出力となる。したがって、上述のように、一方の光検出器５７からの出力と、他方の光検出器５８からの出力との差動をとることで、単独の光検出器だけを用いるよりも、より大きな出力を得ることが可能となる。また、差動をとることにより、不要な直流バイアス成分が取り除かれるという利点もある。
【００８２】
ヘテロダイン信号処理装置４４に入力された差信号は、当該ヘテロダイン信号処理装置４４によって同期検波などの信号処理が施されて、光の強度情報と位相情報とが取り出される。そして、これらの情報は、画像コントローラ５２に送られる。ここで、画像コントローラ５２は、上述したように、ビーム偏向装置５１やステージコントローラ５５に制御信号を送ることで、計測対象物２上に集光される検出光スポットの位置を制御している。したがって、画像コントローラ５２は、計測対象物２上に集光される検出光スポットの位置情報を有している。そこで、画像コントローラ５２は、この位置情報と、ヘテロダイン信号処理装置４４から送られてきた強度情報及び位相情報とに基づいて画像処理を行い、計測対象物２の構造を計測した結果を示す画像を画像表示装置６２に表示させる。
【００８３】
なお、上述したように、計測対象物２を移動ステージ５６の上に自動的に搬送する搬送手段を設けて、計測対象物２を繰り返し交換して、計測対象物２の検査を行うような場合には、そのような検査プロセスをコントロールするコントローラを設けておくと好ましい。この場合は、計測対象物２の構造を計測した結果をコントローラにも送り、当該コントローラによって全体の検査プロセスを制御するようにする。
【００８４】
１−３  変形例
上記計測装置１では、ヘテロダイン信号を得るために参照光や検出光を変調する手段として、音響光学変調器からなる周波数シフター４１，４３を例に挙げたが、ヘテロダイン信号を得るために参照光や検出光を変調する手段としては、例えば、ＢＢＯを用いた電気光学位相変調器等も使用可能である。
【００８５】
また、上記計測装置１では、ヘテロダイン信号を得るために、光分割手段４１によって、紫外線レーザー光を参照光と検出光とに分割したが、参照光及び検出光を得るにあたっては、発振波長の僅かに異なる２つの紫外線レーザー光発生手段を設けておくようにしても良い。すなわち、発振波長の僅かに異なる２つの紫外線レーザー光発生手段を設けておき、それらの紫外線レーザー光発生手段からの紫外線レーザー光を、それぞれ参照光と検出光とに用いるようにしても良い。
【００８６】
また、上記計測装置１では、計測対象物２の上に１つの検出光スポットを形成し、その戻り光を光検出器５７，５８によって検出する、いわば１ビームの共焦点顕微鏡のような構成となっていたが、計測対象物２の上に複数の検出光スポットを形成し、それらの戻り光を複数の光検出器によって検出するようにしても良い。これにより、計測対象物２の構造の計測を、同時に複数箇所において行うことが可能となる。なお、このように戻り光を複数の光検出器によって検出する場合、光検出器には、例えば、Ｓｉ−ＰＩＮフォトダイオードアレー、Ｓｉ−ＡＰＤフォトダイオードアレー又はＧａＮフォトダイオードアレー等を用いる。
【００８７】
１−４  計測結果
上記計測装置１で、実際に計測対象物２の構造の計測を行った。ここで、レーザー光のパワーは、合波ミラー５０による合波後に光検出器５７，５８に入射するそれぞれの参照光パワーが約１ｍＷ、戻り光パワーが約６００ｎＷとなるようした。また、参照光側の周波数シフター４３のキャリア周波数ｆ1を２００ＭＨｚと、検出光側の周波数シフター４９のキャリア周波数ｆ2を２１２ＭＨｚとした。
【００８８】
その結果、図３に示すように、参照光側の周波数シフター４３のキャリア周波数ｆ1と、検出光側の周波数シフター４９のキャリア周波数ｆ2との差の周波数（ｆ2−ｆ1＝１２ＭＨｚ）のヘテロダイン信号が検出された。しかも、光検出器５７，５８に入射する戻り光のパワーがそれぞれ約６００ｎＷと非常に微弱であるにもかかわらず、図３にも示すように、ＣＮ比が約６６ｄＢ（バンド幅３０ｋＨｚ）の良好なヘテロダイン信号が得られた。また、図４に、ピーク出力が約６００ｎＷの戻り光がＡＭ変調されたときのヘテロダイン信号のエンベロープを示す。ヘテロダインの原理により微弱な戻り光が良好なＳＮ比で検出されていることが分かる。
【００８９】
また、合波ミラー５０による合波後に光検出器５７，５８に入射する参照光のパワーをそれぞれの０．９８ｍＷで一定として、光検出器５７，５８に入射する戻り光のパワーを変化させた。そして、このときに検出されるヘテロダイン信号のＳＮ比の変化を測定した。なお、光検出器５７，５８には、０．１Ａ／Ｗの感度を有するものを使用し、光検出器５７，５８からの出力は、５ｋΩの負荷抵抗を用いて電流電圧変換し、それぞれ１８ｄＢの増幅を行う増幅器５９，６１に通した。
【００９０】
上記測定の結果を図５に示す。ビデオレート（１／３０秒）で画像表示するためには約５ＭＨｚの帯域が必要であり、図５では、この帯域でのキャリアやノイズについて、実験値並びに理論値を示している。すなわち、図５において、点線Ａ１は、ヘテロダイン検出を行って検出される、５ＭＨｚの帯域でのキャリアの理論値を示しており、また、実線Ａ２は、ヘテロダイン検出を行って検出された、５ＭＨｚの帯域でのキャリアの実験値を示している。また、点線Ｂ１は、ヘテロダイン検出を行わずに、戻り光を直接検出したときに得られる、５ＭＨｚの帯域でのキャリアの理論値を示している。また、実線Ｃ１は、帯域５ＭＨｚにおけるショットノイズの理論値を示しており、実線Ｃ２は、帯域５ＭＨｚにおけるノイズの実験値を示している。
【００９１】
図５から分かるように、ヘテロダイン検出を行わずに、戻り光を直接検出した場合、１０μＷ以下の光量では、十分なＳＮ比が得られない。これに対して、ヘテロダイン検出を行った場合には、非常に微弱な光量で、高いＳＮ比が得られている。
【００９２】
例えば、ビデオレートで画像表示するにあたって、良好な画像を得るためには、ＳＮ比が４０ｄＢ程度以上であることが望まれる。そして、図５から分かるように、ヘテロダイン検出を行った場合、ＳＮ比が４０ｄＢとなるのは、戻り光のパワーがおよそ１５０ｎＷのときである。すなわち、ヘテロダイン検出を行った場合には、良好な画像が得られる４０ｄＢのＳＮ比を、１５０ｎＷ程度の非常に微弱なパワーにて得ることができる。
【００９３】
また、図５から分かるように、ヘテロダイン検出を行った場合、ショットノイズとキャリアとが等価になる限界検出パワーは、およそ２０ｐＷ程度と非常に小さくなっている。
【００９４】
また、図５から分かるように、ノイズの実験値は、計算で求められたショットノイズにほぼ一致している。このことから、光検出器５７，５８として、フォトマルチプライヤーやアバランシェフォトダイオードなどのように高電圧を必要とするようなものを用いることなく、Ｓｉ−ＰＩＮフォトダイオード、Ｓｉ−ＡＰＤフォトダイオード又はＧａＮフォトダイオードなどを用いたとしても、ショットノイズ限界検出が十分に可能であることが分かる。
【００９５】
なお、参照光のパワーと検出光のパワーとが同じ場合、ＳＮ比は、ヘテロダイン検出を行わずに、戻り光を直接検出した場合と同様なものとなってしまう。したがって、ヘテロダイン検出を行うにあたっては、参照光のパワーを検出光のパワーよりも十分に大きくすることが好ましい。そして、上記計測装置１では、光分割手段４１により、例えば、紫外線レーザー光を参照光と検出光とにおよそ１００対１に分割するようにしている。したがって、上記計測装置１では、非常に高いＳＮ比を得ることができる。なお、ヘテロダイン検出で微弱光を高いＳＮ比で検出する条件（検出光＜＜参照光）については、A.. Yariv: Optical Electronics 3rd ed. (Holt, Rinehart and Winston, New York, 1985) Chap.11：多田邦雄 訳、光エレクトロニクスの基礎(丸善、東京、1988) pp383 に示されている。
【００９６】
１−５  上記計測装置の利点
上記計測装置１では、紫外線レーザー光を使用するとともに、ヘテロダイン検出を採用することで、サブミクロンオーダーの微細な構造を計測することができる。すなわち、上記計測装置１では、波長の短い光を使用することで高い分解能が得られるとともに、ヘテロダイン検出により光の位相情報も検出することで、計測対象物２の高さの変化や屈折率の変化などの位相変化の検出も可能となり、計測対象物２の表面形状の計測や微小な欠陥検出などを、サブミクロンのオーダーにて行うことができる。しかも、計測対象物２の構造を光学的に計測するため、非接触且つ非破壊にて、大気雰囲気下で計測対象物２の構造を計測することができる。
【００９７】
なお、ミクロンオーダーやサブミクロンオーダーの微細構造計測を行う装置としては、従来より、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）が広く使用されている。しかし、走査型電子顕微鏡では、電子ビームを用いるために、真空容器内で計測を行う必要があり、装置が大掛かりになり、しかも計測を行うまでに時間がかかるという問題があった。また、計測対象物が絶縁物の場合には、電子ビームの飛来による表面電荷蓄積を防ぐために、計測対象物の表面に伝導膜を形成する必要があるという問題もあった。また、電子ビームはエネルギーが高いため、電子ビームの照射により計測対象物がダメージを受けるという問題もあった。
【００９８】
また、より微細な構造を計測する手段として、微小針先の原子間力を用いた原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や、微小開口からの漏れ光を用いて計測対象物の構造を計測する走査型近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）などもある。原子間力顕微鏡や走査型近接場光学顕微鏡を用いると、ナノメーターオーダーの微細構造計測も可能である。しかしながら、原子間力顕微鏡や走査型近接場光学顕微鏡では、微小針先や微小開口の機械的な走査が必要なため、測定時間が非常に長くかかるという問題があった。また、微小針先や微小開口の形状次第で計測結果が変化してしまう場合があり、測定再現性が悪いという問題もあった。
【００９９】
これに対して、上記計測装置１では、計測対象物２の構造を光学的に計測するため、非接触且つ非破壊にて、大気雰囲気下で速やかに計測対象物２の構造を計測することができる。しかも、この計測装置１では、紫外線レーザー光を使用するとともに、ヘテロダイン検出を採用することで、従来の光学顕微鏡に比べて、遥かに高い分解能が得られる。
【０１００】
そして、このような計測装置１を用いることで、例えば、半導体素子、液晶素子、光メモリ又は磁気メモリ等のように微細な構造を有する素子（以下、これらを総称して微細構造素子と称する。）の製造時に、製造過程の途中でそれらの微細構造素子を検査するようなことも可能である。走査型電子顕微鏡、原子間力顕微鏡及び走査型近接場光学顕微鏡などは、上述したような問題のため、微細構造素子の不良解析を行う場合や、微細構造素子の抜き取り検査を破壊検査で行うような場合にしか使用できなかった。しかし、上記計測装置１では、非接触且つ非破壊にて大気雰囲気下で速やかに計測対象物２の構造を計測することが可能なので、微細構造素子の製造過程において、それらの構造を計測するようなことも可能である。微細構造素子の製造過程において、上記計測装置１を用いて、それらの構造を計測し検査するようにすることで、微細構造素子の製造歩留まりを高めることが可能となる。すなわち、例えば、上記計測装置１と微細構造素子の製造装置とを一体化して、微細構造素子の製造品質を製造過程において随時検査する、いわゆるインライン検査を行うことで、微細構造素子の製造歩留まりを高めることができる。
【０１０１】
例えば、近年、半導体素子のデザインルールは０．２５μｍ程度にまで微細化が進んでおり、更に次世代の半導体素子では、デザインルールが０．１μｍ程度にまで微細化が進むと予想される。このような半導体素子を検査しようとしたとき、可視光を用いた従来の光学顕微鏡では分解能が不十分である。しかし、上記計測装置１では、紫外線レーザー光を使用するとともにヘテロダイン検出を採用することで、上述のような半導体素子の検査に必要な分解能を得ることが可能となっている。そこで、上記計測装置１を、半導体素子のインライン検査に用いることで、半導体素子の製造品質を製造過程において検査することが可能となり、半導体素子の製造歩留まりを大幅に向上させることが可能となる。
【０１０２】
また、上記計測装置１は、非接触且つ非破壊にて大気雰囲気下で計測対象物２の構造を計測することができる。したがって、比較的にダメージを受けやすい生体等を観察するような場合や、構造が時間的に変化する計測対象物について、その構造の変化を観察したいような場合にも、非常に有用である。
【０１０３】
１−６  計測対象物に与えるダメージについて
上記計測装置１は、非接触型の計測装置ではあるが、検出光に紫外線レーザー光を用いるため、当該紫外線レーザー光によって計測対象物２にダメージを与えてしまう可能性はある。すなわち、波長λ＝２００〜４００ｎｍの遠紫外域の光のフォトンのエネルギーは、光化学反応を起こしやすく、そのため、例えば、計測対象物２が生体の場合に紫外線レーザー光のパワーがあまりに大きいと、計測対象物２にダメージを与えてしまう可能性がある。また、例えば、計測対象物２がポリマー材料からなる場合に紫外線レーザー光のパワーがあまりに大きいと、炭素水素間の結合エネルギーを超えて、アブレーション現象を引き起こしてしまう可能性がある。
【０１０４】
しかし、上記計測装置１において、計測対象物２に照射する紫外線レーザー光は非常に微弱なもので良いので、検出光に紫外線レーザー光を用いても当該紫外線レーザー光によって計測対象物２にダメージを与えてしまうことは、ほぼ無いと言える。以下、この点について説明する。
【０１０５】
「エキシマレーザー最先端応用技術  第３章  １９８６  (株)シーエムシー 監修 豊田浩一」に記載されているように、波長λが２６６ｎｍのとき、フォトンエネルギーは４．７ｅＶ（＝１０７ｋｃａｌ／ｍｏｌ）になり、Ｃ−Ｃ結合、Ｃ−Ｈ結合の解離を引き起こす。そして、例えば、波長λが２６６ｎｍの１ｍＷの光を、開口数ＮＡが０．９の対物レンズで絞って、ポリマー材料に照射すると、およそ１ＭＷ／ｃｍ2のパワー密度に達し、アブレーション現象が生じる。
【０１０６】
なお、波長＝２６６ｎｍの紫外線によるポリマー材料のアブレーション現象については、例えば、"All Solid-State Continuous-Wave Frequency-Quadrupled Nd:YAG Laser," IEEE J.Select.Top.In Quantum Electron. Vol. 1 (1995), 859や、"Progress in all-solid-state deep-ultraviolet coherent light sources," SPIE PROC. Vol. 2700, (1996), 302-310 などに示されている。
【０１０７】
このように、検出光として用いる紫外線レーザー光のパワーが大きいと、計測対象物２にダメージを与えてしまう可能性がある。したがって、上記計測装置１において、計測対象物２に照射する紫外線レーザー光は微弱なものとしたほうが好ましい。
【０１０８】
例えば、上記計測装置１を、半導体素子のインライン検査に適用する場合には、検出光として用いる紫外線レーザー光を、半導体素子形成時のマスクパターンに使用されるフォトレジストを感光させてしまわない程度の微弱光とすることが望まれる。
【０１０９】
例えば、デザインルールが０．２５μｍの半導体素子において、その微細パターンの形成には、ＫｒＦエキシマレーザーを用いたステッパー型露光装置が用いられており、その微細パターンの形成に用いるフォトレジストの感度は、"NA/sigma optimization strategies for an advanced DUV stepper applied to 0.25 micron and sub 0.25 micron critical levels," SPIE PROC. Vol. 3051, (1997) pp 320-332 に示されているように、およそ１５〜２５ｍＪ／ｃｍ2である。
【０１１０】
そして、例えば、波長λが２６６ｎｍの１ｍＷの光を、５０μｍ×５０μｍの領域において、ビデオレートにて走査したとすると、そのときのエネルギー密度は１．３Ｊ／ｃｍ2となり、フォトレジストの感度を大幅に上回る。一方、例えば、波長λが２６６ｎｍの１μＷの光を、５０μｍ×５０μｍの領域において、ビデオレートにて走査したとすると、そのときのエネルギー密度は１．３ｍＪ／ｃｍ2となり、フォトレジストの感度を大幅に下回る。
【０１１１】
そして、図５からも分かるように、上記計測装置１において、計測対象物２に照射する紫外線レーザー光は非常に微弱なものでよい。そして、上記計測装置１で使用する程度のパワーの紫外線レーザー光であれば、上述の説明からも明らかなように、フォトレジストを感光させてしまようなことはない。すなわち、本発明を適用した上記計測装置１では、紫外線レーザー光を用いてはいるが、そのパワーは非常に微弱で良く、例えば、計測対象物２にフォトレジストが含まれているような場合であっても、フォトレジストを感光させてしまうことなく（換言すれば、計測対象物２にダメージを与えることなく）、計測対象物２の構造を計測することができる。
【０１１２】
すなわち、本発明を適用した上記計測装置１では、計測対象物２に照射する検出光のパワーを１μＷ以下としても、計測対象物２の構造の計測を行うことは十分に可能であり、上述の説明からも分かるように、計測対象物２に照射する検出光のパワーが１μＷ以下であれば、計測対象物２にフォトレジストが含まれているような場合でも、フォトレジストを感光させてしまうようなことなく、計測対象物２の構造を計測することができる。
【０１１３】
以上のように、本発明を適用した上記計測装置１では、検出光として紫外線レーザー光を用いてはいるが、そのパワーは非常に微弱で良く、計測対象物２にダメージを与えることなく、計測対象物２の構造を計測することができる。
【０１１４】
１−７  従来技術との比較
上記計測装置１では、光分割手段４１により、紫外線レーザー光を参照光パワーが大きく且つ検出光パワーが小さくなるように分割するようにしており、これにより、計測対象物２に照射する紫外線レーザー光を非常に微弱なものとし、計測対象物２にダメージを与えることなく、計測対象物２の構造を計測することが可能となっているとともに、上述したように、非常に高いＳＮ比を得ることが可能となっている。
【０１１５】
従来技術では、このように検出光のパワーを小さくし効率良くヘテロダイン検出を行うことは困難であった。例えば、米国特許USP3796495では、図６に示すようなセットアップでヘテロダイン検出を行う手法が開示されている。この場合、音響光学変調器１００の検出光への分岐比をＴとすれば、０次光の参照光への分岐比は１−Ｔとなる。そして、光検出器１０１へ戻る光量は、計測対象物１０２の反射率を１としたとき、検出光も参照光もＴ×（１−Ｔ）となる。したがって、例えば、Ｔ＝１％で検出光が１０μＷのとき、光検出器１０１に戻る参照光も１０μＷとなり、ヘテロダイン検出で微弱光を高いＳＮ比で検出する条件（検出光＜＜参照光）を満たすことはできない。
【０１１６】
また、ヘテロダイン検出については、例えば、米国特許USP4353650，USP4627730，USP4848908などにも記載がある。しかし、これらの例では、いずれも参照光と検出光の両方が計測対象物に向かっており、計測対象物に照射する光を微弱光とするには、検出光と参照光の両方を微弱光にする必要がある。そのため、高いＳＮ比で検出する条件（検出光＜＜参照光）を満たすことはできない。
【０１１７】
このように、従来技術では、検出光のパワーを小さくし効率良くヘテロダイン検出を行うことは困難であった。これは、参照光光路と検出光光路とをコモンパス化してヘテロダイン検出を行うからである。これに対して、上記計測装置１では、参照光と検出光とを光分割手段４１で分割するようにしているので、参照光パワーを大きくし、検出光パワーを小さくすることが可能となっている。
【０１１８】
なお、上記計測装置１のように、参照光光路と検出光光路とをコモンパス化しない場合には、検出光と参照光とで光路差が生じるため、使用するレーザー光の波長安定性や時間コヒーレンス特性について、非常に厳しい条件が加わる。一般的に、紫外線レーザー光源としては、エキシマレーザーやアルゴンレーザー等のガスレーザーが主に使用されているが、エキシマレーザーやアルゴンレーザー等のガスレーザーは、波長安定性や時間コヒーレンス特性が悪く、ヘテロダイン検出やホモダイン検出に要求される条件を満足することは難しい。そのため、従来、紫外線レーザー光を用いて、検出光と参照光とで光路差が生じるような条件にて、ヘテロダイン検出やホモダイン検出を行うということは実現されていなかった。これに対して本発明では、紫外線レーザー光源として、固体レーザー光源からのレーザー光に対して波長変換を行うことにより紫外線レーザー光を発生させる紫外線レーザー光発生手段を用いている。これにより、波長安定性に優れた、時間コヒーレンス特性の良好な紫外線レーザー光の使用が可能となり、その結果、紫外線レーザー光を用いて、検出光と参照光とで光路差が生じるような条件にて、ヘテロダイン検出やホモダイン検出を行うことを可能となっている。
【０１１９】
１−８  紫外線レーザー光発生手段の他の例
上記計測装置１に使用される紫外線レーザー光発生手段３は、固体レーザー光源からのレーザー光に対して波長変換を行うことにより紫外線レーザー光を発生させるものであれば良く、上述した構成に限定されるものではない。すなわち、固体レーザー光源や非線形光学素子を適宜組み合わせて高調波発生や和周波発生による波長変換を行うことにより、様々な波長の紫外線レーザー光を発生させることが可能であり、本発明に係る計測装置に使用される紫外線レーザー光発生手段は、図２に示したような構成のものに限定されるものではない。
【０１２０】
具体的には、波長変換を行い紫外線レーザー光を発生させるにあたって使用する固体レーザー光源としては、例えば、ＡｌＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＮ，ＧａＩｎＮなどを用いた半導体レーザーや、Ｎｄ：ＹＡＧ，Ｎｄ：ＹＶＯ4，Ｎｄ：ＹＬＦ，Ｎｄ：ＹＡＰ，Ｎｄ：ＳＦＡＰ，Ｙｂ：ＹＡＧ，Ｙｂ：ＹＬＦ等の希土類添加固体レーザー媒質を用いた固体レーザーや、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ，Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ，Ｔｉ：Ａｌ2Ｏ3等の遷移金属添加固体レーザー媒質を用いた固体レーザーなどが挙げられる。
【０１２１】
なお、半導体レーザーを用いる場合は、回折格子等からなる波長選択素子を用いて、単一周波数で発振するようにした方が良い。ここで波長選択素子は、半導体レーザー自体に組み込んでしまって良いし、或いは、半導体レーザーの外部に波長選択素子を配して、単一周波数のレーザー光を得るようにしても良い。
【０１２２】
また、波長変換を行い紫外線レーザー光を発生させるにあたって使用する非線形光学素子としては、例えば、β−ＢａＢ2Ｏ4（ＢＢＯ）、ＣｓＬｉＢ6Ｏ10（ＣＬＢＯ）、ＫＴｉＯＰＯ4（ＫＴＰ）、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3（ＭｇＯ：ＬＮ）、ＬｉＢ3Ｏ5（ＬＢＯ）、ＫＮｂＯ3（ＫＮ）、周期分極反転ＬｉＮｂＯ3（ＰＰＬＮ）、周期分極反転ＬｉＴａＯ3（ＰＰＬＴ）などが挙げられる。
【０１２３】
以上のようなレーザー光源や非線形光学素子を組み合わせて、高調波発生や和周波発生による波長変換を行うことにより、紫外線レーザー光を得る手法について、以下に具体的な例を挙げて説明する。なお、以下の説明では省略するが、波長変換を行い紫外線レーザー光を発生させるにあたって、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー又はＮｄ：ＹＶＯ4レーザーを使用する場合には、半導体レーザーからのレーザー光によって、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー又はＮｄ：ＹＶＯ4レーザーを励起させる。
【０１２４】
第１の例を図７に示す。本例では、先ず、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー又はＮｄ：ＹＶＯ4レーザーからの波長λ＝１０６４ｎｍの発振光から、ＭｇＯ：ＬＮ，ＫＴＰ，ＰＰＬＮ，ＰＰＬＴ又はＬＢＯを用いて、波長λ＝５３２ｎｍの第二高調波を発生させる。次に、この波長λ＝５３２ｎｍの光を、ＢＢＯ，ＬＢＯ又はＣＬＢＯを用いた外部共振型の光共振器に導入して、第二高調波を発生させる。これにより、波長λ＝２６６ｎｍの紫外線レーザー光を発生させることができる。なお、上記紫外線レーザー光発生手段３はこの例に含まれる。
【０１２５】
第２の例を図８に示す。本例では、先ず、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー又はＮｄ：ＹＶＯ4レーザーからの波長λ＝１０６４ｎｍの発振光から、ＭｇＯ：ＬＮ，ＫＴＰ，ＰＰＬＮ，ＰＰＬＴ又はＬＢＯを用いて、波長λ＝５３２ｎｍの第二高調波を発生させる。次に、この波長λ＝５３２ｎｍの光と、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー又はＮｄ：ＹＶＯ4レーザーからの波長λ＝１０６４ｎｍの発振光とを、ＢＢＯ，ＬＢＯ又はＣＬＢＯを用いた外部共振型の光共振器に導入して、和週波を発生させる。これにより、波長λ＝３５５ｎｍの紫外線レーザー光を発生させることができる。
【０１２６】
第３の例を図９に示す。本例では、先ず、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー又はＮｄ：ＹＶＯ4レーザーからの波長λ＝１０６４ｎｍの発振光から、ＭｇＯ：ＬＮ，ＫＴＰ，ＰＰＬＮ，ＰＰＬＴ又はＬＢＯを用いて、波長λ＝５３２ｎｍの第二高調波を発生させる。次に、この波長λ＝５３２ｎｍの光と、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー又はＮｄ：ＹＶＯ4レーザーからの波長λ＝１０６４ｎｍの発振光とを、ＢＢＯ，ＬＢＯ又はＣＬＢＯを用いた外部共振型の光共振器に導入して、和週波を発生させる。これにより、波長λ＝３５５ｎｍの紫外線レーザー光が発生する。次に、この波長λ＝３５５ｎｍの紫外線レーザー光と、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー又はＮｄ：ＹＶＯ4レーザーからの波長λ＝１０６４ｎｍの発振光とを、ＢＢＯを用いた外部共振型の光共振器に導入して、和週波を発生させる。これにより、波長λ＝２１３ｎｍの紫外線レーザー光を発生させることができる。
【０１２７】
第４の例を図１０に示す。本例では、先ず、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー又はＮｄ：ＹＶＯ4レーザーからの波長λ＝１０６４ｎｍの発振光から、ＭｇＯ：ＬＮ，ＫＴＰ，ＰＰＬＮ，ＰＰＬＴ又はＬＢＯを用いて、波長λ＝５３２ｎｍの第二高調波を発生させる。次に、この波長λ＝５３２ｎｍの光を、ＢＢＯ，ＬＢＯ又はＣＬＢＯを用いた外部共振型の光共振器に導入して、第二高調波を発生させる。これにより、波長λ＝２６６ｎｍの紫外線レーザー光が発生する。次に、この波長λ＝２６６ｎｍの紫外線レーザー光と、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー又はＮｄ：ＹＶＯ4レーザーからの波長λ＝１０６４ｎｍの発振光とを、ＢＢＯ又はＣＬＢＯを用いた外部共振型の光共振器に導入して、和週波を発生させる。これにより、波長λ＝２１３ｎｍの紫外線レーザー光を発生させることができる。
【０１２８】
第５の例を図１１に示す。本例では、先ず、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー又はＮｄ：ＹＶＯ4レーザーからの波長λ＝１０６４ｎｍの発振光から、ＭｇＯ：ＬＮ，ＫＴＰ，ＰＰＬＮ，ＰＰＬＴ又はＬＢＯを用いて、波長λ＝５３２ｎｍの第二高調波を発生させる。次に、この波長λ＝５３２ｎｍの光を、ＢＢＯ，ＬＢＯ又はＣＬＢＯを用いた外部共振型の光共振器に導入して、第二高調波を発生させる。これにより、波長λ＝２６６ｎｍの紫外線レーザー光が発生する。次に、この波長λ＝５３２ｎｍの光と、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー又はＮｄ：ＹＶＯ4レーザーからの波長λ＝１０６４ｎｍの発振光とを、ＢＢＯ又はＣＬＢＯを用いた外部共振型の光共振器に導入して、和週波を発生させる。これにより、波長λ＝２１３ｎｍの紫外線レーザー光が発生する。次に、この波長λ＝２１３ｎｍの紫外線レーザー光と、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーからの波長λ＝１３２０ｎｍの発振光とを、ＣＬＢＯを用いた外部共振型の光共振器に導入して、和週波を発生させる。これにより、波長λ＝１８３ｎｍの紫外線レーザー光を発生させることができる。
【０１２９】
第６の例を図１２に示す。本例では、先ず、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー又はＮｄ：ＹＶＯ4レーザーからの波長λ＝１０６４ｎｍの発振光から、ＭｇＯ：ＬＮ，ＫＴＰ，ＰＰＬＮ，ＰＰＬＴ又はＬＢＯを用いて、波長λ＝５３２ｎｍの第二高調波を発生させる。次に、この波長λ＝５３２ｎｍの光を、ＢＢＯ，ＬＢＯ又はＣＬＢＯを用いた外部共振型の光共振器に導入して、第二高調波を発生させる。これにより、波長λ＝２６６ｎｍの紫外線レーザー光が発生する。次に、この波長λ＝５３２ｎｍの光と、Ｔｉ：Ａｌ2Ｏ3レーザー等のような波長可変レーザーからのおよそ７００〜９００ｎｍの発振光とを、ＢＢＯ又はＣＬＢＯを用いた外部共振型の光共振器に導入して、和週波を発生させる。これにより、波長λ＝１９３〜２０５ｎｍの紫外線レーザー光を発生させることができる。
【０１３０】
第７の例を図１３に示す。本例では、先ず、Ｔｉ：Ａｌ2Ｏ3レーザー、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦレーザー、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦレーザー、ＡｌＧａＡｓレーザー又はＧａＩｎＡｓＰレーザーにより、波長λ＝６５０〜１０００ｎｍのレーザー光を発振させる。次に、このレーザー光を、ＢＢＯ又はＬＢＯを用いた外部共振型の光共振器に導入して、第二高調波を発生させる。これにより、波長λ＝３２５〜５００ｎｍのレーザー光が発生する。次に、このレーザー光と、Ｔｉ：Ａｌ2Ｏ3レーザー、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦレーザー、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦレーザー、ＡｌＧａＡｓレーザー又はＧａＩｎＡｓＰレーザーからの波長λ＝６５０〜１０００ｎｍのレーザー光とを、ＢＢＯを用いた外部共振型の光共振器に導入して、和週波を発生させる。これにより、波長λ＝２１６〜３３３ｎｍの紫外線レーザー光を発生させることができる。
【０１３１】
第８の例を図１４に示す。本例では、先ず、ＧａＮレーザーにより、波長λ＝４００〜４５０ｎｍのレーザー光を発振させる。次に、このレーザー光を、ＢＢＯを用いた外部共振型の光共振器に導入して、第二高調波を発生させる。これにより、波長λ＝２００〜２２５ｎｍの紫外線レーザー光を発生させることができる。
【０１３２】
２．ホモダイン検出により計測対象物の構造を計測する計測装置
本発明を適用し、ホモダイン検出により計測対象物の構造を計測するようにした計測装置の一例を図１５に示す。この計測装置７０は、上記計測装置１と同様、非常に微細な構造を計測することが可能な計測装置であり、微細構造素子を検査するような用途において特に有用である。また、この計測装置７０は、上記計測装置１と同様、非接触型の計測装置であり、計測対象物２にダメージを与えるようなことがないので、比較的にダメージを受けやすい生体等の観察用としても有用である。
【０１３３】
この計測装置７０は、紫外線レーザー光を周波数シフトさせてヘテロダイン検出を行うのではなく、紫外線レーザー光を位相シフトさせてホモダイン検出を行う点が、上記計測装置１とは異なるが、その他については、上記計測装置１と同様である。そこで、以下の説明では、上記計測装置１と同様に構成される部分については、上記計測装置１と同じ符号を付して説明を省略し、上記計測装置１とは構成が異なる部分に付いてだけ詳細に説明する。
【０１３４】
この計測装置７０において、紫外線レーザー光発生手段３から出射された紫外線レーザー光は、図１５に示すように、当該紫外線レーザー光を用いたホモダイン検出により計測対象物２の構造を計測するホモダイン計測手段７１に入射される。そして、紫外線レーザー光発生手段３から出射されホモダイン計測手段７１に入射した紫外線レーザー光は、光分割手段４１によって参照光と検出光とに分割される。
【０１３５】
参照光は、位相シフター駆動装置７２によって駆動される位相シフター７３に入射し、位相シフトが施される。ここで、位相シフター駆動装置７２は、ホモダイン信号処理装置７４からの制御信号に基づいて、位相シフター７３を駆動する。そして、位相シフター駆動装置７２によって駆動される位相シフター７３に参照光が入射することにより、当該参照光に対して所定の位相シフトが施される。そして、位相シフター７３によって位相シフトが施された参照光は、１／２波長板４６に入射し、当該１／２波長板４６を透過した後、合波ミラー４７に入射する。
【０１３６】
ここで、位相シフター７３としては、例えば、位相シフター駆動装置７２からの駆動信号によって駆動されるアクチュエータに、光反射ミラーを取り付けたようなものが好適である。すなわち、参照光の光路中に光反射ミラーを配するとともに、当該光反射ミラーの位置を、ＰＺＴ等からなる圧電アクチュエータやボイスコイルメータ等からなる電磁アクチュエータなどによって精密に制御することで、参照光を位相シフトさせることができる。
【０１３７】
一方、検出光は、偏光ビームスプリッタ５０によって反射され、ビーム偏向装置５１、１／４波長板５３及び対物レンズ５４を介して計測対象物２に入射し、その戻り光が、対物レンズ５４、１／４波長板５３、ビーム偏向装置５１及び偏光ビームスプリッタ５０を介して、合波ミラー４７に入射する。
【０１３８】
合波ミラー４７は、計測対象物２からの戻り光と参照光とを重ね合わせるためのもであり、ハーフミラーからなる。この合波ミラー４７の一方の面には、位相シフトが施された参照光が入射し、他方の面には、検出光が計測対象物２によって反射されて戻ってきた戻り光が入射する。そして、合波ミラー４７によって反射された参照光と、合波ミラー４７を透過した戻り光とが、重ね合わさって光検出器５７に入射し、当該光検出器５７によって検出される。また、合波ミラー４７を透過した参照光と、合波ミラー４７によって反射された戻り光とが、重ね合わさって光検出器５８に入射し、当該光検出器５８によって検出される。
【０１３９】
そして、一方の光検出器５７からの出力は、増幅器５９によって増幅された上で比較器６０に入力され、同様に、他方の光検出器５８からの出力も、増幅器６１によって増幅された上で比較器６０に入力される。そして、比較器６０によって、それらの光検出器５７，５８からの出力の差動がとられ差信号が生成され、当該差信号がホモダイン信号処理装置７４に入力され、位相情報を含むホモダイン信号が検出される。
【０１４０】
ホモダイン信号処理装置７４に入力された信号は、当該ホモダイン信号処理装置７４によって同期検波などの信号処理が施されて、光の強度情報と位相情報とが取り出される。そして、これらの情報は、画像コントローラ５２に送られて、当該画像コントローラ５２で画像処理が施され、その結果、計測対象物２の構造を計測した結果を示す画像が画像表示装置６２に表示される。
【０１４１】
以上のようにホモダイン検出により計測対象物２の構造を計測するようにした計測装置７０においても、上記計測装置１と同様に、サブミクロンオーダーの微細な構造を計測することができる。しかも、計測対象物２の構造を光学的に計測するため、非接触且つ非破壊にて、大気雰囲気下で計測対象物の構造を計測することができる。
【０１４２】
３．異なる焦点位置にレーザー光を結像させてヘテロダイン検出を行う計測装置
本発明を適用し、異なる焦点位置にレーザー光を結像させてヘテロダイン検出により計測対象物の構造を計測するようにした計測装置の一例を図１６に示す。この計測装置８０は、計測対象物２の構造を面内方向だけでなく、深さ方向についても同時に計測することが可能な計測装置である。なお、この計測装置８０も、上記計測装置１と同様、非常に微細な構造を計測することが可能であるので、微細構造素子を検査するような用途において特に有用である。また、上記計測装置１と同様、非接触型の計測装置であり、計測対象物２にダメージを与えるようなことがないので、比較的にダメージを受けやすい生体等の観察用としても有用である。
【０１４３】
３−１  計測装置の構成
この計測装置８０は、紫外線レーザー光をマルチビーム化して、それらのレーザー光を異なる焦点位置に結像させる点が、上記計測装置１とは異なるが、その他については、上記計測装置１とほぼ同様である。そこで、以下の説明では、上記計測装置１と同様に構成される部分については、上記計測装置１と同じ符号を付して説明を省略し、上記計測装置１とは構成が異なる部分に付いてだけ詳細に説明する。
【０１４４】
この計測装置８０において、紫外線レーザー光発生手段３から出射された紫外線レーザー光は、図１６に示すように、当該紫外線レーザー光を用いたヘテロダイン検出により計測対象物２の構造を計測するヘテロダイン計測手段８１に入射される。そして、紫外線レーザー光発生手段３から出射されヘテロダイン計測手段８１に入射した紫外線レーザー光は、光分割手段４１によって参照光と検出光とに分割される。
【０１４５】
参照光は、周波数シフター駆動装置４２によって駆動される周波数シフター４３に入射し、周波数シフトが施される。そして、周波数シフター４３によって位相シフトが施された参照光は、１／２波長板４６に入射し、当該１／２波長板４６を透過した後、合波ミラー４７に入射する。
【０１４６】
一方、検出光は、マルチビーム化手段駆動回路８２によって駆動されるマルチビーム化手段８３に入射し、マルチビーム化される。ここで、マルチビーム化手段駆動回路８２は、ヘテロダイン信号処理装置８４からの制御信号に基づいて、マルチビーム化手段８３を駆動する。そして、マルチビーム化手段駆動回路８２によって駆動されるマルチビーム化手段８３に検出光が入射することにより、当該検出光は、同一光軸上において周波数の異なる複数の光ビームに分割される。そして、周波数の異なる複数の光ビームに分割された検出光は、偏光ビームスプリッタ５０に入射し、当該偏光ビームスプリッタ５０によって反射され、ビーム偏向装置５１、１／４波長板５３及び対物レンズ５４を介して計測対象物２に入射する。このとき、対物レンズ５４は、マルチビーム化手段８３によってマルチビーム化されてなる各光ビームを、それぞれ異なる焦点位置に結像させる。具体的には、対物レンズ５４は、各光ビームを、光軸方向（すなわち計測対象物に深さ方向）に僅かにずらして結像させる。
【０１４７】
そして、これら各光ビームが計測対象物２によって反射されて戻ってきた戻り光は、対物レンズ５４、１／４波長板５３、ビーム偏向装置５１及び偏光ビームスプリッタ５０を介して、合波ミラー４７に入射する。
【０１４８】
合波ミラー４７は、計測対象物２からの戻り光と参照光とを重ね合わせるためのもであり、ハーフミラーからなる。この合波ミラー４７の一方の面には、位相シフトが施された参照光が入射し、他方の面には、検出光が計測対象物２によって反射されて戻ってきた戻り光が入射する。そして、合波ミラー４７によって反射された参照光と、合波ミラー４７を透過した戻り光とが、重ね合わさって光検出器５７に入射し、当該光検出器５７によって検出される。また、合波ミラー４７を透過した参照光と、合波ミラー４７によって反射された戻り光とが、重ね合わさって光検出器５８に入射し、当該光検出器５８によって検出される。
【０１４９】
そして、一方の光検出器５７からの出力は、増幅器５９によって増幅された上で比較器６０に入力され、同様に、他方の光検出器５８からの出力も、増幅器６１によって増幅された上で比較器６０に入力される。そして、比較器６０によって、それらの光検出器５７，５８からの出力の差動がとられ差信号が生成され、当該差信号がヘテロダイン信号処理装置８４に入力され、位相情報を含むヘテロダイン信号が検出される。
【０１５０】
ヘテロダイン信号処理装置８４に入力された信号は、当該ヘテロダイン信号処理装置８４によって同期検波などの信号処理が施されて、光の強度情報と位相情報とが取り出される。このとき、ヘテロダイン信号処理装置８４は、ヘテロダイン信号を周波数帯域分離することで、マルチビーム化手段８３によってマルチビーム化されてなる各光ビームの各結像点に対応した情報をそれぞれ取り出す。そして、これらの情報は、画像コントローラ５２に送られて、当該画像コントローラ５２で画像処理が施され、その結果、計測対象物２の構造を計測した結果を示す画像が画像表示装置６２に表示される。
【０１５１】
３−２  計測装置の原理
上記計測装置８０では、検出光をマルチビーム化し、それらの結像位置を計測対象物２の深さ方向に僅かにずらすことで、計測対象物２の深さ方向の構造についても計測することが可能となっており、例えば、計測対象物２の３次元画像を得るようなことが可能となっている。以下、この原理について、更に詳細に説明する。
【０１５２】
一般に、共焦点顕微鏡は焦点深度が浅いため、焦点位置を機械的にずらすことにより各焦点位置に対応した異なる画像が得られ、それらを合成することにより３次元画像を得ることができる。しかしながら、焦点位置を機械的に動かすには時間がかかるため、微細構造素子のインライン検査など、高スループットが要求されるような用途において、このような方法は適していない。また、生きた生体の観察など、計測対象物が動くような場合には、焦点位置移動中に計測対象物の位置が変化することがあり、３次元画像を得ることは非常に難しい。
【０１５３】
一方、光軸方向に焦点位置が僅かに異なる複数の光ビームを用いて同時に走査すれば、計測対象物の３次元画像をリアルタイムで得るようなことが可能となる。しかしながら、各光ビームは同軸上にあり、これらの光ビームを光検出器上で分離することは困難である。なお、光軸方向に対して横方向にもずらして、複数の光検出器で各光ビームを検出するような方法も考えられるが、各光ビーム間のクロストークが無いような配置にするためには、光ビーム間の間隔を十分に大きくとる必要があり、計測のリアルタイム性が失われるという問題や、対物レンズの限られた視野範囲内では光ビームの数を増やすことができないという問題などが生じる。
【０１５４】
これに対して、上記計測装置８０では、ヘテロダイン検出を行っているので、各光ビームで得られた情報を分離することが可能となっている。すなわち、図１７に示すように、対物レンズ５４によって集光される検出光をマルチビーム化し、光軸方向に焦点位置の僅かに異なる複数の光ビームＬ1，Ｌ2，Ｌ3・・・とし、それぞれの光ビームが異なる周波数シフトを受けるようにする。このようにしておけば、光検出器５７，５８によって検出されるヘテロダイン信号はそれぞれ異なるものとなるので、周波数帯域分離することにより、各光ビーム毎にクロストークの無い再生信号が得られる。
【０１５５】
例えば、各光ビームＬ1，Ｌ2，Ｌ3・・・と参照光との周波数差をそれぞれｆ1，ｆ2，ｆ3・・・としたとき、ｆ1＝１２ＭＨｚ，ｆ2＝２４ＭＨｚ，ｆ3＝３６ＭＨｚ・・・とする。このとき、各光ビームＬ1，Ｌ2，Ｌ3・・・によって検出されるヘテロダイン信号の帯域がそれぞれ５ＭＨｚであったとすれば、各光ビームＬ1，Ｌ2，Ｌ3・・・を同一の光検出器５７，５８で受光して検出したとしても、ｆ1，ｆ2，ｆ3・・・をそれぞれ中心とする帯域５ＭＨｚの周波数フィルターを用いることで、各ヘテロダイン信号を分離できる。
【０１５６】
上記計測装置８０では、このような原理により、計測対象物２の深さ方向の構造の計測が可能となっており、例えば、計測対象物２の３次元画像をリアルタイムで得るようなことも可能となっている。
【０１５７】
なお、このような信号分離は、光軸方向に焦点位置をずらした場合だけでなく、焦点位置を光軸に対して直交する方向（以下、横方向と称する。）にずらしたような場合や、焦点位置を光軸方向にずらすとともに横方向にもずらしたような場合などにも有効である。このような場合には、光ビームが隣接することとなるが、上述のような原理により各信号を分離することで、隣接する光ビーム間のクロストークを除去することができる。すなわち、例えば、隣接する光ビームが重なり合うような配置となっていても、上述のような原理により各信号を分離することで、光ビーム間のクロストークを除去することができる。特に、光スポットのエアリー半径（０．６×λ／ＮＡ）毎に光ビームを配置すれば、理想的なガウスビームの場合、光スポットの強度が０になる点をサンプリングすることとなるため、サンプリング定理に基づき、光スポット径で決まる空間周波数応答内で像の復元が可能となる。
【０１５８】
なお、このような信号分離の原理は、微細構造の計測以外の分野においても利用可能である。すなわち、このような信号分離の原理は、例えば、レーザー光を用いた３次元認識や、厚み方向にも情報を持つ光ディスクからの信号再生などにも応用可能である。また、望遠鏡と組み合わせれば空中に浮かぶ飛行機等の３次元認識にも応用可能である。更にまた、３次元認識を利用することで、自動車の衝突防止等への応用も考えられる。
【０１５９】
３−３  マルチビーム化手段
上記計測装置８０において使用されるマルチビーム化手段８３について、具体的な例を挙げて更に詳細に説明する。
【０１６０】
なお、上述したように、ヘテロダイン信号の分離は、焦点位置を光軸方向にずらした場合だけでなく、焦点位置を横方向にずらしたような場合や、焦点位置を光軸方向にずらすとともに横方向にもずらしたような場合などにも有効である。そこで、ここでは、マルチビーム化手段８３として、焦点位置を光軸方向にずらすような場合に使用されるものだけではなく、焦点位置を横方向にずらすような場合に使用されるものや、焦点位置を光軸方向にずらすとともに横方向にもずらすような場合に使用されるものなどについても、具体的な例を挙げて説明する。
【０１６１】
なお、焦点位置を光軸方向にずらすような場合、マルチビーム化手段８３は、入射されたレーザー光を、同一光軸上において周波数の異なる複数の光ビームに分割するとともに、それらの仮想的なビーム発光位置を異なるものとする。また、焦点位置を横方向にずらすような場合、マルチビーム化手段８３は、入射されたレーザー光を、周波数の異なる複数の光ビームに横方向に分割する。また、焦点位置を光軸方向にずらすとともに横方向にもずらすような場合、マルチビーム化手段８３は、入射されたレーザー光を、周波数の異なる複数の光ビームに横方向に分割するとともに、それらの仮想的なビーム発光位置を異なるものとする。以下、これらのマルチビーム化手段８３について具体的に説明する。
【０１６２】
マルチビーム化手段８３の第１の例を図１８に示す。図１８に示すマルチビーム化手段８３Ａは、入射されたレーザー光を平行な４本の光ビームに分割するものであり、入射されたレーザー光を複数に分割する光分割手段として、互いに対向する面がミラーとされた光学ブロック８５を備える。また、このマルチビーム化手段８３Ａは、光学ブロック８５によって分割された各光ビームが異なる周波数となるように、それらの光ビームに対して周波数シフトを施す周波数シフト手段８６を備える。
【０１６３】
上記光学ブロック８５において、光入射側ミラー８５ａのレーザー光入射場所の光透過率Ｔはほぼ１００％とし、光入射側ミラー８５ａのその他の部分については、反射率Ｒがほぼ１００％となるようにしておく。一方、光出射側ミラー８５ｂについては、光学ブロック８５に入射されたレーザー光の光出射側ミラー８５ｂでの１回目の反射時の反射率をＲ1、２回目の反射時の反射率をＲ2、３回目の反射時の反射率をＲ3、４回目の反射時の反射率をＲ4としたとき、１−Ｒ2＝（１−Ｒ1）／Ｒ1，１−Ｒ3＝（１−Ｒ1）／（Ｒ1×Ｒ2），１−Ｒ4＝（１−Ｒ1）／（Ｒ1×Ｒ2×Ｒ3）となるようにしておく。また、４回目の反射時の反射率Ｒ4は、ほぼ０％となるようにしておく。なお、このような光透過率Ｔや反射率Ｒ，Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3，Ｒ4の設定は、例えば、光学ブロック８５をそれぞれの部位毎にコーティングすることにより実現される。
【０１６４】
上記光学ブロック８５を用いてレーザー光を平行な複数の光ビームに分割する際は、光学ブロック８５の光入射側ミラー８５ａに対してレーザー光を斜めに入射させる。このとき、光入射側ミラー８５ａのレーザー光入射場所の光透過率Ｔがほぼ１００％であるので、当該レーザー光はほぼ１００％、光学ブロック８５に入射する。
【０１６５】
光学ブロック８５に入射したレーザー光は、先ず、光出射側ミラー８５ｂによって反射される。このとき、レーザー光が入射する部位における光出射側ミラー８５ｂは、所定の反射率Ｒ1とされている。したがって、当該レーザー光の一部は、光出射側ミラー８５ｂによって光入射側ミラー８５ａへ向けて反射され、残りは、光出射側ミラー８５ｂを透過して光学ブロック８５から出射する。
【０１６６】
反射率がＲ1の部位において反射されたレーザー光は、光入射側ミラー８５ａに入射し当該光入射側ミラー８５ａによって反射され、再び光出射側ミラー８５ｂに入射し当該光出射側ミラー８５ｂによって反射される。このときにレーザー光が入射する部位における光出射側ミラー８５ｂは、所定の反射率Ｒ2とされている。したがって、当該レーザー光の一部は、光出射側ミラー８５ｂによって光入射側ミラー８５ａへ向けて反射され、残りは、光出射側ミラー８５ｂを透過して光学ブロック８５から出射する。
【０１６７】
反射率がＲ2の部位において反射されたレーザー光は、光入射側ミラー８５ａに入射し当該光入射側ミラー８５ａによって反射され、再び光出射側ミラー８５ｂに入射し当該光出射側ミラー８５ｂによって反射される。このときにレーザー光が入射する部位における光出射側ミラー８５ｂは、所定の反射率Ｒ3とされている。したがって、当該レーザー光の一部は、光出射側ミラー８５ｂによって光入射側ミラー８５ａへ向けて反射され、残りは、光出射側ミラー８５ｂを透過して光学ブロック８５から出射する。
【０１６８】
反射率がＲ3の部位において反射されたレーザー光は、光入射側ミラー８５ａに入射し当該光入射側ミラー８５ａによって反射され、再び光出射側ミラー８５ｂに入射する。このときにレーザー光が入射する部位における光出射側ミラー８５ｂの反射率Ｒ4はほぼ０％である。したがって、当該レーザー光は、光出射側ミラー８５ｂを透過して光学ブロック８５から出射する。
【０１６９】
以上のような反射及び透過の繰り返しにより、光学ブロック８５に入射されたレーザー光が分割され、平行で且つ光強度がほぼ同じ４本の光ビームが光出射側ミラー８５ｂから出射することとなる。
【０１７０】
以上のように光学ブロック８５によって分割された各光ビームは、周波数シフト手段８６によって、それぞれ異なる周波数となるように周波数シフトが施される。
【０１７１】
周波数シフト手段８６は、光学ブロック８５によって分割されてなる第１の光ビームに対応した第１の周波数シフター８６ａと、光学ブロック８５によって分割されてなる第２の光ビームに対応した第２の周波数シフター８６ｂと、光学ブロック８５によって分割されてなる第３の光ビームに対応した第３の周波数シフター８６ｃと、光学ブロック８５によって分割されてなる第４の光ビームに対応した第４の周波数シフター８６ｄとを備える。なお、これらの周波数シフター８６ａ，８６ｂ，８６ｃ，８６ｄは、上記計測装置１における周波数シフター４９に相当する。
【０１７２】
そして、各周波数シフター８６ａ，８６ｂ，８６ｃ，８６ｄをそれぞれ異なるキャリア周波数ｆ1，ｆ2，ｆ3，ｆ4にて駆動し、第１乃至第４の光ビームに対してそれぞれ異なる量の周波数シフトを施す。これにより、周波数の異なる４本の光ビームが得られる。
【０１７３】
なお、ここでは、入射されたレーザー光を４本の光ビームに均等に分割する例を挙げたが、それらのパワーの割合や分割数については、光学ブロック８５の内部での反射回数や光出射側ミラー８５ｂの反射率の分布などを適宜変更することで、任意に設定できることは言うまでもない。また、ここでは、光学ブロック８５を用いて光ビームを分割する例を挙げたが、例えば、回折格子やホログラム素子などを用いて分割するようにしても良い。また、上記マルチビーム化手段８３Ａのように横方向のマルチビーム化を図る他の手段としては、複数のキャリア信号を音響光学変調器に与える方法もある。
【０１７４】
つぎに、マルチビーム化手段８３の第２の例を図１９に示す。このマルチビーム化手段８３Ｂは、入射されたレーザー光を、同一光軸上において周波数の異なる複数の光ビームに分割するものであり、入射されたレーザー光を複数に分割する光分割手段として、所定の反射率Ｒａを有する第１のミラー８７と、第１のミラー８７と対向するように配置された、所定の反射率Ｒｂを有する第２のミラー８８とを備える。また、このマルチビーム化手段８３Ｂは、光ビームに対して周波数シフトを施す周波数シフト手段として、第１のミラー８７と第２のミラー８８との間に配された周波数シフター８９を備える。
【０１７５】
このマルチビーム化手段８３Ｂによって、入射されたレーザー光を同一光軸上において周波数の異なる複数の光ビームに分割する際は、第１のミラー８７の側からレーザー光を入射する。このレーザー光は、第１のミラー８７を透過してマルチビーム化手段８３Ｂに入射し、先ず、周波数シフター８９に入射する。このとき、周波数シフター８９は、所定のキャリア周波数ｆ1にて駆動しておく。これにより、レーザー光は、当該キャリア周波数ｆ1の分だけ周波数シフトされる。
【０１７６】
周波数シフトが施されたレーザー光は、第２のミラー８８に入射する。なお、周波数シフター８９が音響光学変調器からなる場合には、当該音響光学変調器による一次回折光が、第２のミラー８８に入射することとなる。第２のミラー８８に入射したレーザー光の一部は透過してマルチビーム化手段８３Ｂから出射し、残りのレーザー光は第１のミラー８７に向けて反射される。なお、第１のミラー８７及び第２のミラー８８は、第２のミラー８８による反射光が第１のミラー８７に戻ってくるように角度調整しておく。そして、第２のミラー８８によって反射され第１のミラー８７に戻ってきたレーザー光は、第１のミラー８７によって反射され、再び周波数シフター８９に入射し、周波数シフトが施される。
【０１７７】
以上のようにして第１のミラー８７と第２のミラー８８との間での反射と、周波数シフター８９による周波数シフトとが繰り返されることにより、同一光軸上において周波数の異なる複数の光ビームが得られる。すなわち、周波数シフター８９を１回通過して、第２のミラー８８を透過して出射された光ビームは、周波数シフター８９のキャリア周波数ｆ1の分だけ周波数シフトされた光となり、周波数シフター８９を２回通過して、第２のミラー８８を透過して出射された光ビームは、周波数シフター８９のキャリア周波数ｆ1の２倍の分だけ周波数シフトされた光となり、周波数シフター８９を３回通過して、第２のミラー８８を透過して出射された光ビームは、周波数シフター８９のキャリア周波数ｆ1の３倍の分だけ周波数シフトされた光となる。以下同様に、周波数シフター８９をｎ回通過して、第２のミラー８８を透過して出射された光ビームは、周波数シフター８９のキャリア周波数ｆ1のｎ倍の分だけ周波数シフトされた光となる。すなわち、上記マルチビーム化手段８３Ｂによれば、同一光軸上において、周波数シフター８９のキャリア周波数ｆ1の整数倍だけそれぞれ周波数の異なる複数の光ビームを得ることができる。
【０１７８】
このようなマルチビーム化手段８３Ｂにおいて、第１のミラー８７に入射するレーザー光として、平行光ではなく発散光を用いると、第１のミラー８７と第２のミラー８８との間で反射を繰り返す毎に、仮想的なビーム発光位置が後方にシフトする。すなわち、第１のミラー８７に入射するレーザー光が発散光の場合には、第１のミラー８７と第２のミラー８８との間で反射を繰り返す毎に、第１のミラー８７と第２のミラー８８との間の光路長をＬとしたとき、仮想的なビーム発光位置が２×Ｌの分だけ後方にシフトする。
【０１７９】
そして、このような光ビームを、対物レンズ５４によって結像させると、周波数の異なる各光ビームは、同一光軸上において、異なる位置において焦点を結ぶ。すなわち、図２０に示すように、仮想的なビーム発光位置が２×Ｌの分だけ後方にシフトする毎に、Δ＝（ｆ2／ｆ1）2×２×Ｌの分だけ焦点位置がずれていくので、周波数の異なる各光ビームの結像位置はそれぞれ異なるものとなる。
【０１８０】
なお、第１のミラー８７と第２のミラー８８との間で反射を繰り返す毎に生じる仮想的なビーム発光位置のシフトの量は、第１のミラー８７や第２のミラー８８に適当な曲率を与えたり、第１のミラー８７と第２のミラー８８との間の光路中にレンズを挿入したりすることで調整することができる。したがって、第１のミラー８７や第２のミラー８８に適当な曲率を与えたり、第１のミラー８７と第２のミラー８８との間の光路中にレンズを挿入したりすることで、上記マルチビーム化手段８３Ｂによって分割されてなる各光ビームを対物レンズ５４によって結像させたときに生じる焦点位置ずれ量Δを、任意に調整することができる。
【０１８１】
なお、このような焦点位置ずれは、図１８に示したマルチビーム化手段８３Ａにおいても同様に生じさせることができる。すなわち、図１８に示したマルチビーム化手段８３Ａにおいても、入射レーザー光として平行光ではなく発散光を用いると、光学ブロック８５の内部で反射を繰り返す毎に仮想的なビーム発光位置が後方にシフトすることとなり、各光ビームを対物レンズ５４によって結像させたときに、対物レンズ５４と結像位置との間隔が各光ビーム毎に異なるものとなる。
【０１８２】
３−４  計測装置におけるマルチビームの検出について
上記計測装置８０では、図１６に示したように、マルチビーム化手段８３が、光分割手段４１と偏光ビームスプリッタ５０との間に配されており、検出光は、同一光軸上において周波数の異なる複数の光ビームに分割される。そして、これらの光ビームは、対物レンズ５４によって、計測対象物２上に集光されるが、これらの各光ビームは、それぞれの焦点位置が計測対象物２の深さ方向に僅かにずれた状態で結像される。そして、これらの光ビームが計測対象物２によって反射されて戻ってきた戻り光が、光検出器５７，５８によって検出される。
【０１８３】
このとき、光検出器５７，５８には同時に参照光も入射するが、当該参照光は、光検出器５７，５８上において各戻り光の焦点が参照光の焦点範囲に含まれるように、平行光に近い、集光角度の浅い光ビームとしておき、空間的に参照光と戻り光が一致するようにしておく。換言すれば、光検出器５７，５８上において、参照光のスポット径をやや大きくするとともに、戻り光の集光位置と参照光の集光位置とが一致するようにし、空間的に参照光が戻り光をカバーするようにする。
【０１８４】
そして、光検出器５７，５８からの出力は、上述したように、増幅器５９，６１及び比較器６０を介してヘテロダイン信号処理装置８４に入力され、当該ヘテロダイン信号処理装置８４によって周波数帯域分離されることで、マルチビーム化手段８３によってマルチビーム化されてなる各光ビームの各結像点に対応したヘテロダイン信号がそれぞれ取り出される。
【０１８５】
なお、レーザー光をマルチビーム化するにあたっては、検出光だけでなく、参照光もマルチビーム化するようにしてもよい。参照光もマルチビーム化する場合は、周波数シフター４３で周波数シフトを施した後に、周波数シフターを含まないマルチビーム化手段により、参照光を複数の光ビームに分割する。そして、周波数の異なる複数の検出光と、周波数の等しい複数の参照光とにより、ヘテロダイン検出を行う。この場合、光検出器５７，５８上において、各戻り光の各焦点位置と、各参照光の各焦点位置とがそれぞれ対応するようにする。これにより、より高効率なマルチビーム検出が可能となる。
【０１８６】
以上のように、周波数分離されたマルチビームを用いて同時に計測対象物２を走査してヘテロダイン検出を行い、その結果得られたヘテロダイン信号を周波数帯域毎に分離することで、各光ビームの結像点毎に同時に計測対象物２の構造を計測することができる。そして、各光ビームの結像点を計測対象物２の深さ方向に異なるものとしておけば、深さ方向についても計測対象物２の構造を計測することが可能となり、例えば、計測対象物２の３次元画像をリアルタイムで得るようなことが可能となる。また、検出光のマルチビーム化を図ることにより、同時に複数箇所の計測が可能となるので、２次元画像を得るような場合においても、計測時間を短縮できるという利点がある。
【０１８７】
４．液浸レンズでの高解像度検出
上記計測装置１，７０，８０を用いて、計測対象物２の構造を計測する際には、図２１に示すように、対物レンズ５４と計測対象物２との間に液体９１を配するようにしても良い。
【０１８８】
このとき、対物レンズ５４と計測対象物２との間に配される液体９１の屈折率に対して最適になるように対物レンズ５４を最適化しておけば、液体９１の屈折率の分だけ、対物レンズ５４の開口数ＮＡが上がり、解像度を向上することができる。通常、液体の屈折率は１．３〜１．４程度であり、したがって、対物レンズ５４と計測対象物２との間に液体９１を配することにより、大気中での観察よりも、１．３〜１．４倍程度、解像度が上がる。
【０１８９】
なお、対物レンズ５４と計測対象物２との間に配する液体９１としては、計測対象物２と化学反応を起こす液体を用いるようにしても良い。計測対象物２と化学反応を起こす液体を用いることにより、化学反応による計測対象物２の構造の変化を計測することが可能となる。
【０１９０】
これを応用することにより、例えば、微細構造素子を製造する際のエッチング工程や現像工程における構造の変化を計測することが可能となる。すなわち、例えば、対物レンズ５４と計測対象物２との間に配する液体９１として、計測対象物２をエッチングするエッチング液を用いることにより、エッチング工程における計測対象物２の構造の変化を計測することが可能となる。或いは、例えば、対物レンズ５４と計測対象物２との間に配する液体９１として、フォトレジストに形成された潜像を現像する現像液を用いることにより、現像工程における計測対象物２の構造の変化を計測することが可能となる。
【０１９１】
このように、対物レンズ５４と計測対象物２との間に液体９１を配することで、解像度を高めることができ。しかも、当該液体９１として現像液やエッチング液などを用いることで、現像液によるフォトレジストの現像の様子や、エッチング液による計測対象物２のエッチングの様子などを観察することが可能となる。これにより、例えば、微細構造素子の製造プロセス中の構造の変化を観察できるようになる。その結果、例えば、微細構造素子の製造プロセスの最適化を図り、その製造歩留まりを更に高めるようなことも可能となる。
【０１９２】
なお、対物レンズ５４と計測対象物２との間に配する液体９１として、計測対象物２と化学反応を起こす液体を用いた場合には、対物レンズ５４のレンズ表面が汚染されたり劣化してしまったりする場合があり得る。
【０１９３】
そこで、対物レンズ５４と計測対象物２との間に液体９１を配する場合には、図２１に示すように、交換可能な保護カバー９２を対物レンズ５４に取り付け、当該保護カバー９２により、対物レンズ５４を保護するようにしてもよい。ここで、保護カバー９２は、検出光の波長領域において透過率が高い部材からなることが好ましい。
【０１９４】
このような保護カバー９２を用いることにより、対物レンズ５４と計測対象物２との間に配した液体９１による、対物レンズ５４の汚染や劣化を回避できる。なお、対物レンズ５４と計測対象物２との間に配した液体９１によって、保護カバー９２が汚染されたり劣化したりすることはあり得るが、その場合は、当該保護カバー９２を交換することにより、常に良好な状態での計測が可能となる。
【０１９５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、ヘテロダイン検出又はホモダイン検出を利用して計測対象物の構造を計測するにあたって、より微細な構造を計測することが可能となる。また、本発明によれば、ヘテロダイン検出を利用して計測対象物の構造を計測するにあたって、計測対象物の深さ方向の構造についても計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用し、ヘテロダイン検出により計測対象物の構造を計測するようにした計測装置の一例を示す図である。
【図２】紫外線レーザー光発生手段の一例を示す図である。
【図３】スペクトラムアナライザーによってヘテロダイン信号の周波数成分を解析した結果を示す図である。
【図４】戻り光がＡＭ変調されたときのヘテロダイン信号のエンベロープを示す図である。
【図５】参照光パワーを一定として、光検出器に入射する戻り光のパワーを変化させたときのキャリア及びノイズの変化を示す図である。
【図６】従来技術によりヘテロダイン検出を行う際のセットアップの一例を示す図である。
【図７】高調波発生や和周波発生による波長変換を行うことにより紫外線レーザー光を得る手法の第１の例を示す図である。
【図８】高調波発生や和周波発生による波長変換を行うことにより紫外線レーザー光を得る手法の第２の例を示す図である。
【図９】高調波発生や和周波発生による波長変換を行うことにより紫外線レーザー光を得る手法の第３の例を示す図である。
【図１０】高調波発生や和周波発生による波長変換を行うことにより紫外線レーザー光を得る手法の第４の例を示す図である。
【図１１】高調波発生や和周波発生による波長変換を行うことにより紫外線レーザー光を得る手法の第５の例を示す図である。
【図１２】高調波発生や和周波発生による波長変換を行うことにより紫外線レーザー光を得る手法の第６の例を示す図である。
【図１３】高調波発生や和周波発生による波長変換を行うことにより紫外線レーザー光を得る手法の第７の例を示す図である。
【図１４】高調波発生や和周波発生による波長変換を行うことにより紫外線レーザー光を得る手法の第８の例を示す図である。
【図１５】本発明を適用し、ホモダイン検出により計測対象物の構造を計測するようにした計測装置の一例を示す図である。
【図１６】本発明を適用し、異なる焦点位置にレーザー光を結像させてヘテロダイン検出により計測対象物の構造を計測するようにした計測装置の一例を示す図である。
【図１７】複数の光ビームが対物レンズによって異なる焦点位置に結像する様子を示す図である
【図１８】マルチビーム化手段の第１の例を示す図である。
【図１９】マルチビーム化手段の第２の例を示す図である。
【図２０】仮想的なビーム発光位置のシフト量と、光ビームの結像位置との関係を示す図である。
【図２１】対物レンズと計測対象物との間に液体を配した状態を示す図である。
【符号の説明】
１  計測装置、  ２  計測対象物、  ３  紫外線レーザー光発生手段、  ４  ヘテロダイン計測手段、  １１  グリーンレーザー光発生部、  １２  紫外線レーザー光発生部、  １３  半導体レーザー、  １４  集光レンズ、  １５  Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、  １６  モードマッチングレンズ、  １７  ＭｇＯ：ＬＮ結晶、  １８  光反射ミラー、  １９  レンズ、  ２１  ＢＢＯ、  ２２，２３，２４，２５  ミラー、  ２６  光共振器、  ２７  位相変調器、  ２８  位相変調器駆動回路、  ２９  ミラー、  ３０  光検出器、  ３１  制御回路、  ３２電磁アクチュエータ、  ３３  コリメータレンズ、  ３４  アナモルフィックプリズムペアー、  ４１  光分割手段、  ４２  周波数シフター駆動装置、  ４３  周波数シフター、  ４４  ヘテロダイン信号処理装置、  ４５  光反射ミラー、  ４６  １／２波長板、  ４７  合波ミラー、  ４８  周波数シフター駆動装置、  ４９  周波数シフター、  ５０  偏光ビームスプリッタ、  ５１  ビーム偏向装置、  ５２  画像コントローラ、  ５３  １／４波長板、  ５４  対物レンズ、  ５５  ステージコントローラ、  ５６  移動ステージ、  ５７，５８光検出器、  ５９  増幅器、  ６０  比較器、  ６１  増幅器、  ６２  画像表示装置
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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