1. はじめに
精密製造、半導体プロセス、そしてマイクロ／ナノスケールの表面工学において、高精度な垂直表面プロファイル測定の需要は高まり続けています。従来の接触式や低解像度の手法では、精度と効率の面で不十分な場合が多くあります。非接触式の表面高さ測定に特化した垂直プロファイロメータでは、高精度と堅牢性を兼ね備えた白色光干渉法（WLI）がコア技術としてますます採用されています。この記事では、WLIの動作原理を紹介し、垂直プロファイロメータにおいてナノメートルスケールの垂直解像度を実現する仕組みを説明します。
2. 白色光干渉法の基礎
白色光干渉法は、LEDやハロゲンランプなどの広帯域光源を用い、マイケルソン干渉計の原理に基づいています。光は参照光と測定光に分割されます。参照ミラーと試料表面で反射された後、これらの光は再結合して干渉縞を形成します。
白色光は単色光とは異なり、コヒーレンス長が非常に短いため、干渉縞は2つの光路差がほぼゼロの場合にのみ現れます。この特性により、表面の高さを垂直軸に沿って正確に特定することが可能になります。
3. WLIを用いた垂直プロファイロメータのシステムアーキテクチャ
一般的な WLI ベースの垂直プロファイロメータは、次の主要モジュールで構成されています。
広帯域光源: 可視範囲内で連続スペクトル光を提供します。
干渉対物レンズ（例：ミラウまたはリンニク型）：参照ビームと測定ビームを組み合わせます。
Z 軸スキャン機構: 干渉計ヘッドまたはサンプルをナノメートル スケールの精度で垂直に移動します。
イメージング システム: CCD または CMOS カメラを使用して干渉画像シーケンスをキャプチャします。
画像処理アルゴリズム: 各ピクセルの縞模様のコントラストの変化を分析して表面の高さを決定します。
4. ナノメートルスケールの垂直解像度の実現
WLI ベースのプロファイロメトリーの核となる機能は、特定のアルゴリズムによって実現される垂直解像度にあります。
エンベロープピーク検出：粗面や段差のある表面に適しています。干渉エンベロープ内の最大コントラスト位置を特定することで表面高さを検出します。標準分解能：1～10nm。
位相シフト干渉法: 滑らかな表面に最適で、干渉縞の位相変化を分析して、ナノメートル未満の高さ情報を抽出します。
これらのアルゴリズムは、表面の種類に応じて組み合わせたり、自動的に選択したりできるため、システムはさまざまな測定シナリオに適応できます。
5. 利点と限界
利点:
非接触、非破壊測定。
高い垂直解像度（最小 1 nm）
反射面、透明面、または中程度に粗い面に適用できます。
制限事項:
環境振動に敏感なので、隔離システムを推奨します。
急峻な側壁や深い溝を測定する能力が限られている。
コストは高くなりますが、厳しい精度要件のある中級から高級アプリケーションに適しています。
6. 結論
白色光干渉法は、垂直形状測定装置による高解像度の非接触表面測定を可能にする、確立された光学技術です。堅牢な物理的基盤と実証済みの信頼性により、WLIは半導体、光学、精密材料業界で広く応用されています。今後、より高速なスキャンシステム、強化されたアルゴリズム、自動化プラットフォームとの統合により、高精度計測におけるその能力はさらに向上するでしょう。