FlatMasterの測定原理(斜入射干渉計)

1. 干渉とは

光には波の性質があります。波は重ね合わせの原理に従って、2つの波の位相がピッタリ合った時には、山と山、谷と谷が重ね合わさり、強め合い(明るくなり)ます。一方で互いの位相が180°異なり、山と谷が重ね合わさった時には弱め合い(暗くなり)ます。

波

2. フィゾー干渉計

FlatMasterは、フィゾー式の干渉計を採用しています。(下図は垂直入射のフィゾー干渉計です。)レーザーから出た光は、測定面全体を一括照射出来るよう広げられ、コリメータレンズにより平行光となります。この平行光は、参照平面で反射する光(参照光)と透過する光に波面分割されます。透過した光は、測定面で反射されます(テスト光)。そして、参照光とテスト光が再び重なった時に干渉を起こします。

干渉計図解

3. 斜入射干渉計

FlatMasterは斜入射干渉計です。下図のように、①基準となる平面(プリズム)で反射した参照光と、②被測定面(平面形状を測りたいサンプル表面)で反射したテスト光の位相差によって干渉の明るさが決まり、この位相差は2本の光が分かれて再び重なるまでの光路長により決まります。

測定原理
a.明るくなる条件 :位相差が0 → 光路長が波長の整数倍
b.暗くなる条件 :位相差が180° → 光路長が波長の整数倍+半波長
c.中間の明るさ :位相差が0~180°の間 → 光路長がaとb以外
位相差

レーザーを全面一括で照射させますので、干渉の結果が各点の光路長差に応じて取得でき、縞のように見えます。これを干渉縞と呼び、隣り合った縞と縞の高低差は一定となり、干渉縞は等高線図と同じように読むことが出来ます。また、この隣り合った縞と縞の高低差を縞感度と言います。

斜入射干渉計の縞感度Sは

$S=\displaystyle \frac{λ}{2cosθ}$ [μm/fringe]

です。
FlatMasterはλ=0.635umのレーザー光を採用しており、θによって縞感度が決まります。

4. フリンジスキャン

干渉の条件を変え、干渉縞を走査する手法をフリンジスキャンといいます。
時刻t0~t4までフリンジスキャンを行うと、図のように干渉の結果が変わっていきます。これを連続してみると縞が流れているように見えます。
斜入射干渉計のフリンジスキャンは、参照平面とサンプル表面のギャップを変えて行う方法と、入射角度を変えて行う方法の2種類がありますが、FlatMasterでは入射角度を変えてフリンジスキャンを行っています。

フリンジスキャン

5. 解析手法:位相差解析

ある点A点とB点に着目し、時刻t0~t4までのそれぞれの点の明るさをグラフにプロットすると、下記のグラフのようにサインカーブを描きます。A点、B点のサインカーブの位相の差が360°であれば、A点とB点はちょうど隣り合った縞であり、高低差は縞感度分となります。図は90°位相が異なる例です。この場合、縞感度をSとすると、$\displaystyle \frac{90^\circ}{360^\circ}=\frac{S}{4}$だけ高低差があるということが分かります。FlatMasterでは360°を400分割することが出来るため、測定分解能は縞感度の400分の1まで高めることが可能です。

6. 斜入射干渉計のメリット

①粗面測定に優れている

入射角度を大きくすると物体の反射率は上がります。図はガラス面からの反射率と入射角度の関係を表したものです。入射角度70°付近から反射率が上がっていることが分かります。FlatMasterでは78°付近から88°付近までの入射角度を採用しています。その為、反射の弱い粗面の測定に優れています。

反射率

②大きいSORI測定に優れている

縞感度を下げる(例えば8μm/fringe)ことで、等高線間隔を広げることができます。これにより、大きいSORIにも対応できます。

その他の測定原理

斜入射干渉計の原理

斜入射干渉計の測定原理

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垂直入射干渉計の原理

垂直入射干渉計の測定原理

FlatMaster MSPに採用されている、垂直入射干渉計の測定原理をご紹介します。

白色干渉計の測定原理

白色干渉計の測定原理

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