(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体内で内面全反射を生じる、複数本のレーザ光を前記固体に入射し、該固体内で干渉を生じさせ、該干渉を反映して、前記固体表面に光路の表面に対する角度や前記固体の屈折率等によって定まる光近接場のフリンジを生じさせ、移動部に設けた検出器で前記フリンジを読み出すことによって、変位や物の大きさを計測することを特徴とする固体を伝搬するレーザ光による測長方法。
【請求項２】
請求項１記載の固体を伝搬するレーザ光による測長方法において、前記光近接場のフリンジを、光透過性のある試料や、金属薄膜の試料に生じさせることにより、長さの基準となる縞模様を試料に重畳することを特徴とする固体を伝搬するレーザ光による測長方法。
【請求項３】
固体表面に、積極的に光近接場を伝搬光に変換する、ナノメートルオーダーの凹凸や微小球の配列を設け、電場増強をもたらす金属薄膜をコーティングする固体を全反射面に設け、複数本のレーザ光を前記固体に入射し、前記複数のレーザ光による内面全反射と干渉を生じさせ、干渉に対応して縞状に発生した光近接場をあらかじめ表面に施した処理によって、周期性のある伝搬光や、周期性のある電界分布を生じさせ、これにより、固体の導波路で、表面に長さの基準となる周期性のある物理量が浮き出している物差しを実現することを特徴とする固体を伝搬するレーザ光による測長方法。
【請求項４】
請求項１、２又は３記載の固体を伝搬するレーザ光による測長方法において、光音響素子を用いて、光近接場がある角周波数ωで変位するようにすると、移動部が変位しない場合に光がωで変位し、移動子が変位すると、変位に応じて位相の回転を生じ、それにより変位を計測することを特徴とする固体を伝搬するレーザ光による測長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体を伝搬するレーザ光による測長方法及びそのレーザ光による露光とパターニング方法に係り、特に、ナノメートルオーダーのスケールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光の波長の安定度は高く、特に、安定なものでは、波長の１０-8以上の安定度が得られている。そのため、精密な計測が必要とされる分野では、レーザの波長を用いた変位計測が広く用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レーザの波長は、光の伝搬する媒体の屈折率の影響を受ける。波長をλ、屈折率をｎとすると、媒体中の波長はλ／ｎとなる。レーザが真空中を伝搬する場合は、ｎの揺らぎは問題とならないが、空気などの気体中を伝搬する場合、空気の流れや温度勾配による屈折率のむらが波長の安定度に影響を与え、真空中の計測と比べ精度の劣化が生じる。この問題に対し、今までは、なるべく空気の流れやむらをなくすか、光路を真空にするしか対策がなかった。
【０００４】
そこで、本発明は、レーザの波長は、固体、特に単結晶を含む均質な媒体では屈折率の局所的な変動も少なく、温度変化による変動も緩やかであり、しかも、固体の場合は、必要に応じて固体媒体を温度調節することも容易であるため、固体内を伝搬するレーザ光を用いることにより、ナノメートルオーダーのスケールを得るようにしたものである。
【０００５】
本発明は、上記状況に鑑みて、信頼性が高く、かつ高い精度を有する固体を伝搬するレーザ光による測長方法そのレーザ光による露光とパターニング方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕固体を伝搬するレーザ光による測長方法において、固体内で内面全反射を生じる、複数本のレーザ光を前記固体に入射し、その固体内で干渉を生じさせ、その干渉を反映して、前記固体表面に光路の表面に対する角度や前記固体の屈折率等によって定まる光近接場のフリンジを生じさせ、移動部に設けた検出器で前記フリンジを読み出すことによって、変位や物の大きさを計測することを特徴とする。
【０００７】
〔２〕上記〔１〕記載の固体を伝搬するレーザ光による測長方法において、前記光近接場のフリンジを光透過性のある試料や金属薄膜の試料に生じさせることにより、長さの基準となる縞模様を試料に重畳することを特徴とする。
【０００８】
〔３〕固体を伝搬するレーザ光による測長方法において、固体表面に、積極的に光近接場を伝搬光に変換する、ナノメートルオーダーの凹凸や微小球の配列を設け、電場増強をもたらす金属薄膜をコーティングする固体を全反射面に設け、複数本のレーザ光を前記固体に入射し、前記複数のレーザ光による内面全反射と干渉を生じさせ、干渉に対応して縞状に発生した光近接場をあらかじめ表面に施した処理によって、周期性のある伝搬光や、周期性のある電界分布を生させ、これにより、固体の導波路で、表面に長さの基準となる周期性のある物理量が浮き出している物差しを実現することを特徴とする。
【０００９】
〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載の固体を伝搬するレーザ光による測長方法において、光音響素子を用いて、光近接場がある角周波数ωで変位するようにすると、移動部が変位しない場合に光がωで変位し、移動子が変位すると、変位に応じて位相の回転を生じ、それにより変位を計測することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１１】
図１は本発明の第１実施例を示す固体を伝搬するレーザ光によるマイケルソン干渉測長装置の構成図、図２は一般的なマイケルソン干渉計であり、図３は本発明の第１実施例を示すマイケルソン干渉測長システムの模式図である。
【００１２】
図１において、固定部１には、レーザ２、偏光板３、波長板４、ビームスプリッタ５、光検出器（ＰＤ）６、小さいくさびプリズム７が搭載されている。
【００１３】
一方、移動部９には、大きいくさびプリズム１０が搭載され、固定部１と移動部９の摺動面にはインデックスマッチング液１１が設けられている。
【００１４】
このように、固定部１と移動部９の摺動面にインデックスマッチング液１１を塗布した小さいくさびプリズム７と大きいくさびプリズム１０からなる固体導波路内にレーザ光８を入射し、干渉を生じさせる。つまり、レーザ干渉計を構成する。
【００１５】
以下、そのマイケルソン干渉測長システムによる測長について説明する。
【００１６】
上記したように、互いに摺動する固体導波路内にレーザ干渉計を構成する。摺動面には屈折率を固体と同じくしたインデックスマッチング液１１を入れる。
【００１７】
図２には一般的なマイケルソン干渉計が示されており、この図において、１００は固定側であり、光源１０１、偏光板１０２、波長板１０３、ビームスプリッタ１０４、固定ミラー１０５、受光素子１０６を有している。１０７は移動ミラー、Ｌ１，Ｌ２は光路である。
【００１８】
このマイケルソン干渉計は、伝搬媒体は空気、若しくは真空の場合が多い。光路Ｌ１と光路Ｌ２の差によって光の干渉を強め合ったり、弱め合うように作用し、その結果、干渉の明暗を生じる。この明暗は受光素子１０６で検出される。光路中の屈折率が一定であれば、図２で示した構成で移動ミラーの変位が正確に計測可能である。しかし、媒体が空気の場合、屈折率の揺らぎによって、変位が生じていなくても光路に差を生じ、変位計測に誤差を生じる場合がある。そのため干渉計において重要なことは、干渉の対象となる、複数の光路の、屈折率の変動を抑えることである。
【００１９】
図３は本発明にかかる干渉測長システムの模式図であり、図１に対応させた符号が付与されている。ここで、Ａは固定ミラー、Ｂは大きいくさび形プリズム１０に設けられる移動ミラーである。
【００２０】
この干渉測長システムは、干渉の対象となる２個の光路Ｌ１，Ｌ２の大部分が固体内を伝搬する構成になっている。この干渉測長システムと、図２の一般的なマイケルソン干渉計の構成とを対比すると、その相違点は、光路Ｌ２の光路が２個のくさび形プリズム７，１０からなる点であり、光路Ｌ１が極力短く構成され、光路Ｌ１に対応するミラーＡがビームスプリッタ５に近接して設置されている点である。２個のくさび形プリズム７，１０はその斜めの面を互いに摺動させる。その摺動面は屈折率がプリズムと同一のインデックスマッチング液１１で満たされている。
【００２１】
以上の構成により、干渉光路が固体中を伝搬する干渉計が実現される。
【００２２】
よって、ナノメートルオーダーの高精度計測がはじめて可能となった。
【００２３】
本発明は、固体内を伝搬するレーザ光を用いたレーザ干渉計である。固体中の屈折率は急激には変わることがなく、また、単結晶などの均質な材料を用いることにより、屈折率の局所的な変動を大きく抑えることが可能となる。固体の屈折率は温度により変動し得るが、その変化は緩やかなものであり、また、近年の精密な温度制御技術を用いることにより、屈折率の変動幅を小さく抑えることが可能である。
【００２４】
以上の理由から、固体内伝搬式のレーザ干渉計は、正確な変位や、物の大きさを計測する上で極めて有効、かつ信頼性の高いものとなる。
【００２５】
図４は本発明の第２実施例を示す固体を伝搬するレーザ光による測長装置の構成図である。
【００２６】
この図において、２１はプリズムホルダ、２２はプリズム、２３は縞状に並んだ光近接場、２４は直動案内機構固定部、２５は直動案内機構移動部、２６はその移動部にセットされるフォトダイオード、２７はそのフォトダイオード２６の先端部に設けられるＳＮＯＭプローブやカンチレバーなどの走査型光近接場プローブである。
【００２７】
この実施例では、固体（プリズム）２２内伝搬レーザ光２８，２９の、固体（プリズム）２２の表面において生じる光近接場２３の干渉フリンジを固体導波路の表面で走査型光近接場プローブ２７により検出し、並進変位を計測することができる。なお、プリズム２２は直角プリズムでも、ガラス平板にプリズムを貼り付け、光を平板内に導入したものでもよい。
【００２８】
このようにして、固体内で内面全反射を生じる、複数本のレーザ光２８，２９を固体（プリズム）２２に入射し、固体（プリズム）２２内で干渉を生じさせる。これにより、干渉を反映して、固体表面にエバネセント場の縞状の分布（フリンジ）が生じる。このフリンジの間隔は波長、光路の表面に対する角度、固体の屈折率等によって定まる。移動部２５に設けた検出器（フォトダイオード）２６でこのフリンジを読み出すことによって、変位や物の大きさを知ることが可能となる。
【００２９】
図５は本発明の第３実施例を示す固体を伝搬するレーザ光による測長装置の構成図である。
【００３０】
この図において、３１はプリズムホルダ、３２は光透過性試料（プリズム）、３３は縞状に発生した光近接場、３４は被測定対象、３５は光検出器（ＰＤ）、３６は走査型光近接場プローブ（ＳＮＯＭプローブ）、３７，３８は入射するレーザ光である。
【００３１】
光透過性試料（プリズム）３２に被測定対象３４がパターニングされている場合、表面に光近接場３３のフリンジを発生させ、光透過性試料３２の寸法をフリンジ間隔から測定する。なお、光透過性試料３２は直角プリズムでも、ガラス平板にプリズムを貼り付け、光を平板内に導入したものでもよい。
【００３２】
図６は本発明の第４実施例を示す固体を伝搬するレーザ光による測長装置の構成図である。
【００３３】
この図において、４１はプリズムホルダ、４２はプリズム、４３はプリズム４２の表面に形成された金属薄膜、４４は縞状に並んだ光近接場、４５は直動案内機構固定部、４６は直動案内機構移動部、４７はその移動部にセットされるフォトダイオード、４８はそのフォトダイオード４７の先端部に設けられるＳＮＯＭプローブやカンチレバーなどの走査型光近接場プローブである。
【００３４】
この実施例では、固体導波路の表面に光近接場を乱すような波長以下の凹凸や電場増強のための金属薄膜４３を設け、複数本のレーザ光４９，５０を固体（プリズム）４２に入射し、それによって導波路内部のレーザ干渉フリンジや電界のフリンジを固体導波路の表面で検出し、移動部の並進変位を測定する。なお、プリズム４２は直角プリズムでも、ガラス平板にプリズムを貼り付け、光を平板内に導入したものでもよい。
【００３５】
図７は本発明の第５実施例を示す固体を伝搬するレーザ光による測長装置の構成図である。
【００３６】
この図において、５１はプリズムホルダ、５２はプリズム、５３は縞状に発生した光近接場とそれにより縞状に発生した伝搬光、５４は金属薄膜、５５はレジスト膜、５６，５７は複数本のレーザ光である。
【００３７】
この実施例では、縞状に発生した近接場とそれにより縞状に発生した伝搬光５３を用いて、波長以下のレベルでレジスト膜５５の露光を行い、レジスト膜５５のパターニングを行う。これにより、プリズム５２上に塗布したレジストのパターニングが可能となる。
【００３８】
得られたレジスト膜５５をマスクとして金属薄膜５４のエッチングを行うと、その目盛りを測長の基準や、回路パターン、光学グレーチングとして用いることが可能になる。目盛りの間隔は波長を基準としている。なお、プリズム５２は直角プリズムでも、ガラス平板にプリズムを貼り付け、光を平板内に導入したものでもよい。
【００３９】
図８は本発明の第６実施例を示す固体を伝搬するレーザ光による測長装置の構成図である。
【００４０】
この図において、６１はプリズムホルダ、６２はプリズム、６３は縞状に発生した光近接場、６４はレジスト膜、６５は金属薄膜、６６は基板、６７，６８は複数本のレーザ光である。
【００４１】
この実施例では、レジスト膜６４、金属薄膜６５及び基板６６からなるものをプリズム６２面に押し当て、レジスト膜６４を露光する。
【００４２】
縞状に発生した光近接場を用いて、波長以下のレベルでレジスト膜６４の露光を行うことにより、基板６６上に塗布したレジスト膜６４のパターニングが可能となる。得られたレジスト膜６４をマスクとして金属薄膜６５のエッチングを行うと、その目盛りを測長の基準や、回路パターン、光学グレーチングとして用いることが可能になる。目盛りの間隔は波長を基準としている。プリズム６２は直角プリズムでも、ガラス平板にプリズムを貼り付け、光を平板内に導入したものでもよい。
【００４３】
上記した第５及び第６実施例により、光近接場のフリンジを、光透過性のある試料や、金属薄膜の試料に生じさせることにより、長さの基準となる縞模様を試料に重畳することが可能となる。これは、ナノメートルオーダーの物差しの目盛りを試料に張りつけて、試料の特定の部分の大きさを計測することに等しい。
【００４４】
また、固体表面に感光性のあるレジストを塗布し、上記方法により生じた周期性のある光近接場を伝搬光に変換したもので露光を行う。これにより、レジストのパターニングが可能となる。パターニングの後、金属蒸着、レジストの除去を行うことにより、金属の目盛りを有する導波路が実現する。
【００４５】
この目盛りを長さの基準として変位や物の大きさを知ることが可能となる。また、この波長を反映した金属ストライプのある表面に、上記の方法による光近接場の縞を生じさせ、さらに光音響素子によりその縞を意図する方向に走らせることにより、固定周期構造と、変位する周期性物理量を用いて変位を知ることが可能となる。
【００４６】
図９は本発明の第７実施例を示す固体を伝搬するレーザ光による測長装置の構成図である。
【００４７】
この図において、７１はプリズムホルダ、７２はプリズム、７３は縞状に発生した光近接場、７４は直動案内機構固定部、７５は直動案内機構移動部、７６はその移動部７５にセットされる複数個並んだ受光素子、７７はスリットアレーまたはカンチレバーアレー、７８，７９は複数本のレーザ光である。
【００４８】
固体表面に生じた周期性のある物理量を読み出すためには、走査型光近接場顕微鏡のプローブや、１００ｎｍオーダーのスリットを周期的に有する基板を用い、スリットを用いて光近接場を伝搬光に変換し、基板の変位に伴う伝搬光の光強度の変化をフォトダイオードなどの光検出素子で検出する。それにより移動部の、固体光導波路に対する相対変位を知ることが可能となる。光音響素子を用いて、光エバネセント場がある角周波数ωで変位するようにすると、移動子が変位しない場合に光がωで変位し、移動子が変位すると、変位に応じて位相の回転を生じ、それにより変位を知ることになる。
【００４９】
図１０は本発明の第８実施例を示す固体を伝搬するレーザ光による測長装置の構成図である。
【００５０】
この実施例においては、装置の構造は第７実施例と同様であるが、レーザの波長が異なったものを入射する。つまり、第１の波長ｆ０のレーザ光８１と、それを変調した第２の波長ｆ０＋Δｆのレーザ光８２を用いる。
【００５１】
この方法は、固体に入射するレーザ光の一本か複数本の波長を光音響素子等で変調することにより、周波数差を持った光が干渉することになり、固体表面を、周波数差によって変位するフリンジを構成することが可能となる。
【００５２】
これにより、変位計測を周波数や位相計測の形で実現することになり、より正確な変位計測が可能となる。
【００５３】
また、固体表面に、積極的に光近接場を伝搬光に変換する、ナノメートルオーダーの凹凸や微小球の配列を設けたり、電場増強をもたらす金属薄膜をコーティングする。そのような固体を光導波路として用い、上記と同様に複数のレーザ光による内面全反射と干渉を生じさせる。干渉に対応して縞状に発生した光近接場はあらかじめ表面に施した処理によって、周期性のある伝搬光や、周期性のある電界分布を生じる。
【００５４】
これにより、固体の導波路で、表面に長さの基準となる周期性のある物理量が浮き出している物差しが実現される。この方法においても、レーザ光の一本か複数本を光音響素子で周波数変調することにより、表面の物理量の周期構造を意図する方向に変位させることが可能となる。更に、変位計測を周波数や位相計測で行うことが可能になり、さらに計測の精度を高めることが可能となる。
【００５５】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００５７】
（Ａ）固体内伝搬式のレーザ干渉計は、正確な変位や、物の大きさを計測する上で極めて有効、かつ信頼性の高いものとなる。
【００５８】
（Ｂ）固体（プリズム）内伝搬レーザ光の、固体（プリズム）の表面において生じる光近接場の干渉フリンジを固体導波路の表面で走査型光近接場プローブ等により検出し、並進変位を計測することができる。
【００５９】
（Ｃ）光透過性のある基板（プリズム）に被測定対象がパターニングされている場合、表面に光近接場のフリンジを発生させ、試料の寸法をフリンジ間隔から測定することができる。
【００６０】
（Ｄ）固体導波路の表面に光近接場を乱すような波長以下の凹凸や電場増強のための金属薄膜を設け、それによって導波路内部のレーザ干渉フリンジや電界のフリンジを固体導波路の表面で検出し、移動部の並進変位を測定することができる。
【００６１】
（Ｅ）光近接場のフリンジを光透過性のある試料や金属薄膜の試料に生じさせることにより、長さの基準となる縞模様を試料に重畳することが可能となる。
【００６２】
（Ｆ）固体に入射するレーザ光の一本か複数本の波長を光音響素子等で変調することにより、周波数差を持った光が干渉することになり、固体表面を周波数差によって変位するフリンジを構成することが可能となる。これにより、変位計測を周波数や位相計測の形で実現することになり、より正確な変位計測が可能となる。
【００６３】
（Ｇ）前項と同様に光近接場のフリンジを光透過性のある試料や金属薄膜の試料に生じさせることにより、長さの基準となる縞模様を試料に重畳することが可能となる。これは、ナノメートルオーダーの物差しの目盛りを試料に張りつけて、試料の特定の部分の大きさを計測することに等しい。
【００６４】
（Ｈ）固体表面に、積極的に光近接場を伝搬光に変換する、ナノメートルオーダーの凹凸や微小球の配列を設けたり、電場増強をもたらす金属薄膜をコーティングする。そのような固体を全反射面に設け、複数のレーザ光による内面全反射と干渉を生じさせる。干渉に対応して縞状に発生した光近接場はあらかじめ表面に施した処理によって、周期性のある伝搬光や、周期性のある電界分布を生じる。これにより、固体の導波路で、表面に長さの基準となる周期性のある物理量が浮き出している物差しが実現される。この方法においても、レーザ光の一本か複数本を光音響素子で周波数変調することにより、表面の物理量の周期構造を意図する方向に変位させることが可能となる。これにより、変位計測を周波数や位相計測で行うことが可能になり、さらに計測の精度を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例を示す固体を伝搬するレーザ光による測長装置の構成図である。
【図２】  一般的なマイケルソン干渉計を示す図である。
【図３】  本発明の第１実施例を示すマイケルソン干渉測長システムの模式図である。
【図４】  本発明の第２実施例を示す固体を伝搬するレーザ光による測長装置の構成図である。
【図５】  本発明の第３実施例を示す固体を伝搬するレーザ光による測長装置の構成図である。
【図６】  本発明の第４実施例を示す固体を伝搬するレーザ光による測長装置の構成図である。
【図７】  本発明の第５実施例を示す固体を伝搬するレーザ光による測長装置の構成図である。
【図８】  本発明の第６実施例を示す固体を伝搬するレーザ光による測長装置の構成図である。
【図９】  本発明の第７実施例を示す固体を伝搬するレーザ光による測長装置の構成図である。
【図１０】  本発明の第８実施例を示す固体を伝搬するレーザ光による測長装置の構成図である。
【符号の説明】
１    固定部
２    レーザ
３    偏光板
４    波長板
５，１０４    ビームスプリッタ
６，３５    光検出器（ＰＤ）
７    小さいくさびプリズム
８，２８，２９，４９，５０，５６，５７，６７，６８，７８，７９    複数本のレーザ光
９    移動部
１０    大きいくさびプリズム
１１    インデックスマッチング液
Ａ    固定ミラー
Ｂ    移動ミラー
２１，３１，４１，５１，６１，７１    プリズムホルダ
２２，４２，５２，６２，７２    プリズム
２３，４４    縞状に並んだ光近接場
２４，４５，７４    直動案内機構固定部
２５，４６，７５    直動案内機構移動部
２６，４７    フォトダイオード
２７，４８    走査型光近接場プローブ（ＳＮＯＭプローブやカンチレバー）
３２    光透過性試料（プリズム）
３３，６３，７３    縞状に発生した近接場
３４    被測定対象
３６    走査型光近接場プローブ（ＳＮＯＭプローブ）
３７，３８      入射するレーザ光
４３，５４，６５    金属薄膜
５３    縞状に発生した近接場とそれにより縞状に発生した伝搬光
５５，６４    レジスト膜
６６    基板
７６    複数個並んだ受光素子
７７    スリットアレーまたはカンチレバーアレー
８１    第１の波長ｆ０のレーザ光
８２    第２の波長ｆ０＋Δｆのレーザ光
１００    固定側
１０１    光源
１０２    偏光板
１０３    波長板
１０５    固定ミラー
１０６    受光素子
１０７    移動ミラー
【図１】
0003933881.tif 000002
【図２】
0003933881.tif 000003
【図３】
0003933881.tif 000004
【図４】
0003933881.tif 000005
【図５】
0003933881.tif 000006
【図６】
0003933881.tif 000007
【図７】
0003933881.tif 000008
【図８】
0003933881.tif 000009
【図９】
0003933881.tif 000010
【図１０】
0003933881.tif 000011