JP2009041921A - Fine shape measuring device - Google Patents
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Abstract
【課題】光学系を簡単にした上で、熱膨張、振動、機構の運動の変動等の外乱を除去し、信頼性の高い高精度な微細形状の測定を実現する。
【解決手段】単色光6を、測定面13方向に進行する測定光8と、該測定光に直交する方向に進行する参照光9とに分割する分割手段7と、該参照光を測定光と平行な方向に反射する反射手段17と、前記測定面に反射された後、前記分割手段7により前記参照光9とは反対の方向へ反射された測定光15と、前記測定面で反射された測定光14と平行な方向に戻ってきた前記参照光19とを合成する合成手段16とを備えたマイケルソン干渉計を基本とした微細形状測定装置であって、前記測定面13を直角三面鏡のコーナポイントOに対応させ、前記反射手段17により反射された参照光18の光路に、該直角三面鏡に対応する各鏡面部M1、M2、M3を配置した。
【選択図】図9An optical system is simplified, and disturbances such as thermal expansion, vibration, and movement of a mechanism are removed, thereby realizing highly reliable and accurate measurement of a fine shape.
Splitting means for splitting monochromatic light into measurement light that travels in the direction of a measurement surface and reference light that travels in a direction orthogonal to the measurement light, and the reference light as measurement light. Reflecting means 17 that reflects in a parallel direction, measuring light 15 reflected by the dividing means 7 in the direction opposite to the reference light 9 after being reflected by the measuring surface, and reflected by the measuring surface A fine shape measuring apparatus based on a Michelson interferometer provided with a synthesizing means 16 for synthesizing the reference light 19 returned in a direction parallel to the measuring light 14, wherein the measuring surface 13 is a right-angle trihedral mirror. The mirror surface portions M 1 , M 2 , and M 3 corresponding to the right-angled three-way mirror are arranged in the optical path of the reference light 18 reflected by the reflecting means 17 so as to correspond to the corner point O.
[Selection] Figure 9
Description
本発明は、微細形状測定装置に係り、特に加工部品の表面粗さや、格子、スケール、マイクロレンズ等の微細形状の測定に適用して好適な微細形状測定装置に関する。 The present invention relates to a fine shape measuring apparatus, and more particularly to a fine shape measuring apparatus suitable for application to the measurement of the surface roughness of processed parts and the fine shapes of a lattice, scale, microlens, and the like.
従来の微細形状測定装置としては、ヘテロダイン方式のレーザ干渉計により、横方向(X軸)と縦方向(Z軸又は高さ方向)の微細形状の座標を数値で直接測定するものが非特許文献1、2に記載されている。 As a conventional fine shape measuring device, a heterodyne laser interferometer directly measures the coordinates of the fine shape in the horizontal direction (X axis) and the vertical direction (Z axis or height direction) numerically. 1 and 2.
図1は、この微細形状測定装置の概要を示し、X軸の干渉計により測定対象物が載置されたX軸ステージの横方向の移動量が測定される。又、Z軸の干渉計100は、装置フレームを構成する側板101に支持された天板102に固定され、該干渉計により対物レンズを介してレーザを測定対象物に投光した際の反射光を基に表面の微細形状の高さ又は深さが測定される。なお、Z軸の干渉計の奥には、これと一体で動く顕微鏡が取付けられている。これは測定開始前に、予め試料の測定箇所を選択するために使用され、Z軸の干渉計と交互にスライドして切替えることができるようになっている。
FIG. 1 shows an outline of this fine shape measuring apparatus, and the amount of movement in the horizontal direction of an X-axis stage on which a measurement object is placed is measured by an X-axis interferometer. The Z-
又、他の微細形状測定装置としては、以下に説明する図2に示すヘテロダイン干渉計を用いた原子間力顕微鏡が特許文献1に記載されている。
Further, as another fine shape measuring apparatus,
直線偏光レーザ発振器50からの出力を光アイソレータ52でS偏光とし、ビームスプリッタ54によって測定光と参照光とに分岐する。音響光学変調器56(80.0MHz)、音響光学変調器58(80.1MHz)によって差し引き100kHzの変調を受けた参照光と、1/2波長板60でP偏光に変換された測定光は、偏光ビームスプリッタ62によって、再び一本に合成される。測定光の周波数をfp、参照光の周波数をfsとすると、ビームスプリッタ64を透過し偏光板65で干渉されて光電変換器66で検出されるこれら2本のレーザの干渉周波数fBは、
fB=|fp−fs|(=100kHz)
と表される。
The output from the linearly polarized
fB = | fp−fs | (= 100 kHz)
It is expressed.
一方、ビームスプリッタ64で反射された光はビームエキスパンダ68、ミラー70を経て、二重焦点レンズ72に入射し、再び測定光と参照光とに二分される。
On the other hand, the light reflected by the
二重焦点レンズ72は図3に示すように一軸性の複屈折結晶材料である方解石80を光学ガラス82で挟み込んだ三枚組レンズであり、入射する光線の偏光方向によって焦点距離が異なる。常光線84に対する焦点距離がほぼ無限大、異常光線86に対する焦点距離は有限であり対物レンズ74の前焦点の位置88に合うように設計される。
As shown in FIG. 3, the
入射する光線のうち、P偏光成分(測定光)が常光線、S偏光成分(参照光)が異常光線に相当するように二重焦点レンズ72を光軸回りに回転させて角度を合わせ、測定光と参照光とを分離する。対物レンズ74から出た参照光は平行光線として試料75表面上に照射され、測定光はカンチレバ76表面上にフォーカスする。
Of the incident light rays, rotate the
カンチレバ76からの測定光の反射光、試料75表面からの参照光の反射光は、表面粗さや外乱の影響を受けて、以下のように変化する。
The reflected light of the measurement light from the
測定光:fp+△fp+△fd
参照光:fs+△fd
Measuring light: fp + Δfp + Δfd
Reference beam: fs + Δfd
ここで△fpはカンチレバ76のたわみ、すなわち試料75の表面粗さによる周波数変化成分、△fdは外乱による周波数変化成分である。前記2つの反射光は、対物レンズ74、二重焦点レンズ72、ミラー70、ビームエキスパンダ68、ビームスプリッタ64を経て、偏光板77で干渉され、測定用光電変換器78によりビート信号(周波数fD)として検出される。検出された周波数fDは、両者に共通な外乱による周波数変化成分△fdが相殺されて、fD=|fp−fs+△fp|となり、これと基準用光電変換器66で検出された基準周波数fBとから純粋な表面粗さのみによる周波数変化成分△fpが求められる。変位Zsは次式で表される。
Here, Δfp is a frequency change component due to the deflection of the
Zs=(λ/2)∫△fpdt
△fpは基準光と測定光の位相差として計数される。
Zs = (λ / 2) ∫Δfpdt
Δfp is counted as a phase difference between the reference light and the measurement light.
しかしながら、前記非特許文献1、2に記載されている微細形状測定装置には以下の問題がある。
However, the fine shape measuring devices described in
1)図1に示す微細形状測定装置の構造では、フレーム天板102や側板101等が熱膨張の影響を受け、干渉計本体100から測定対象物の表面までの距離が時間経過と共にゆっくり変化するため、信頼性の高い測定ができない。
1) In the structure of the fine shape measuring apparatus shown in FIG. 1, the
2)図1に示す微細形状測定装置の干渉計本体100の配置では、装置フレームをいかに頑丈に作っても、フレーム天板102に多少でも力を加えると全体が変形し、干渉計本体100から測定対象物の表面までの距離が微妙に変化するので、高精度な測定ができない。
2) With the arrangement of the interferometer
3)モータを駆動させ、Xステージを移動あるいは停止させるとき、モータからの振動やトルク伝達の変動がXステージの運動に影響を与え、浮き上がり、あるいは沈み込みの現象を生じさせる。その影響が現われた段差試料(測定対象物)の測定結果の例が図4で、形状測定に悪影響を及ぼしていることがわかる。なお参考のため、それらの悪影響が現われない場合の測定結果例を図5に示す。 3) When the motor is driven and the X stage is moved or stopped, vibrations from the motor and fluctuations in torque transmission affect the movement of the X stage, causing a phenomenon of floating or sinking. FIG. 4 shows an example of the measurement result of the step sample (measurement object) in which the influence appears, and it can be seen that the shape measurement is adversely affected. For reference, FIG. 5 shows an example of measurement results when those adverse effects do not appear.
又、前記特許文献1に記載されている原子間力顕微鏡には、以下の問題がある。
Further, the atomic force microscope described in
1)前記図2、図3に示したような専用に設計された特殊な光学系を採用しているため、全体に光学系が複雑で、コストがかさむ。 1) Since a special optical system designed exclusively for use as shown in FIGS. 2 and 3 is employed, the optical system is complicated as a whole, and costs increase.
2)フィゾー型の干渉計の採用で参照光と測定光がほとんど同一光路を通り、光学的に安定であるという利点はある。しかし、一般に凹凸を持った加工面の測定の場合、測定対象物の表面に平行光として入射した参照光が反射し、再び参照光として使用されるので、その波面は表面の凹凸で乱れる。そのため、干渉信号のS/N比の低下につながり、測定対象物の表面粗さには限界があり、鏡面に近い表面の微小な凹凸の測定に限られる。 2) The use of a Fizeau interferometer has the advantage that the reference light and the measurement light pass through almost the same optical path and are optically stable. However, in general, in the case of measurement of a processed surface having irregularities, the reference light incident as parallel light on the surface of the object to be measured is reflected and used again as reference light, so that the wavefront is disturbed by the irregularities on the surface. For this reason, the S / N ratio of the interference signal is lowered, the surface roughness of the measurement object is limited, and the measurement is limited to measurement of minute unevenness on the surface close to the mirror surface.
3)カンチレバー式スタイラスのミラー上で反射する測定光の迷光が参照光に混在する。又、カンチレバーによって遮られた部分だけ参照光の強度が低下する。 3) The stray light of the measurement light reflected on the cantilever type stylus mirror is mixed in the reference light. In addition, the intensity of the reference light is reduced only in the portion blocked by the cantilever.
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、光学系を簡単にした上で、熱膨張、振動、機構の運動性能の変動等の外乱の影響を排除(低減)し、信頼性の高い高精度な微細形状測定装置を提供することを課題とする。 The present invention was made to solve the above-mentioned conventional problems, and after simplifying the optical system, it eliminates (reduces) the influence of disturbances such as thermal expansion, vibration, and fluctuations in the motion performance of the mechanism, It is an object of the present invention to provide a highly reliable and highly accurate fine shape measuring apparatus.
本発明は、単色光を、測定面方向に進行する測定光と、該測定光に直交する方向に進行する参照光とに分割する分割手段と、該参照光を測定光と平行な方向に反射する反射手段と、前記測定面で反射された後、前記分割手段により前記参照光とは反対の方向へ反射された測定光と、前記測定面で反射された測定光と平行な方向に戻ってきた前記参照光とを合成する合成手段と、を備えたマイケルソン干渉計を基本とした微細形状測定装置であって、前記測定面を直角三面鏡のコーナポイントに対応させ、前記反射手段により反射された参照光の光路に、該直角三面鏡に対応する各鏡面部を配置したことにより、前記課題を解決したものである。 The present invention provides a splitting unit that divides monochromatic light into measurement light traveling in the direction of the measurement surface and reference light traveling in a direction orthogonal to the measurement light, and reflects the reference light in a direction parallel to the measurement light. And reflecting light reflected by the measurement surface and then reflected by the dividing means in a direction opposite to the reference light and returned in a direction parallel to the measurement light reflected by the measurement surface. A fine shape measuring apparatus based on a Michelson interferometer, comprising: a combining means for combining the reference light, wherein the measuring surface is made to correspond to a corner point of a right-angled trihedral mirror and reflected by the reflecting means. By disposing each mirror surface portion corresponding to the right-angled trihedral mirror in the optical path of the reference light, the above-mentioned problem is solved.
本発明は、又、前記直角三面鏡の正三角形断面の一辺をaとした場合、そのコーナポイントより測定光の入射側に該コーナポイントを中心とする直径a/3より小さい円状空間に対物レンズを配置するようにしてもよい。この場合、背面に反射鏡が付設された触針を有する触針式センサが、該反射鏡を前記測定面としてコーナポイントに対応させて配設されていると共に、前記対物レンズの焦点が該測定面に一致されているようにしてもよい。 In the present invention, when one side of the equilateral triangular section of the right-angled trihedral mirror is a, the objective is applied to a circular space having a diameter smaller than a / 3 centered on the corner point on the incident side of the measurement light from the corner point. A lens may be arranged. In this case, a stylus sensor having a stylus provided with a reflecting mirror on the back surface is disposed corresponding to a corner point with the reflecting mirror as the measurement surface, and the focal point of the objective lens is the measurement point. You may make it correspond to a surface.
又、本発明においては、前記分割手段、反射手段及び合成手段が、ベース上に固定されたフレーム側板に支持されたフレーム天板に固定されているようにしてもよい。 In the present invention, the dividing unit, the reflecting unit, and the combining unit may be fixed to a frame top plate supported by a frame side plate fixed on the base.
本発明は、又、前記各鏡面部が、一体形成された直角三面フレームが有する互いに直交する3つの貼板にそれぞれ固定され、該直角三面フレームの側壁の外側が、前記フレーム天板に上端が固定された支持板に、それぞれ板ばねを介して支持されているようにしてもよく、更にこの場合、前記直角三面フレームの下端は、前記ベース上に水平方向に移動可能なステージ上に滑動可能に支持されているようにしてもよい。 According to the present invention, each of the mirror surface portions is fixed to each of three orthogonally laminated plates included in a right-angled three-sided frame integrally formed, and the outer side of the side wall of the right-sided three-sided frame has an upper end on the frame top plate. The fixed support plate may be supported by leaf springs, respectively. In this case, the lower end of the right-angled three-sided frame is slidable on a stage that can move horizontally on the base. It may be supported by.
ここで、まず本発明の原理を説明しておく。 Here, the principle of the present invention will be described first.
本発明における最大のポイントは次の点にある。即ち、非特許文献3、4にも記載されているように、
(1)図6にイメージを示した直角三面鏡1の光路において、互いに直交する直角三面(AOB、AOC、BOC)は、三平面の交点であるコーナポイントOを回転中心としていかように回転しても、入射光の基点M0から直角三面鏡1で3回反射し、再び入射光と平行な方向に反射されて進む光路長の和は、M0に対応する入射方向の基点O2からコーナポイントOまでの往復光路に等しい。即ち、
M0M1+M1M2+M2M3+M3M4=2OO2
であるという固有の性質を持っている。
The greatest point in the present invention is as follows. That is, as described in
(1) In the optical path of the right-angled
M 0 M 1 + M 1 M 2 + M 2 M 3 + M 3 M 4 = 2OO 2
It has the unique property of being.
一方、M0M1=O1O2=M3M4である。従って、
M1M2+M2M3=2OO1
である、という幾何光学的性質を利用する点。
On the other hand, M 0 M 1 = O 1 O 2 = M 3 M 4 . Therefore,
M 1 M 2 + M 2 M 3 = 2OO 1
The point that uses the geometrical optical property.
(2)一方、図6の直角三面鏡1をレーザが入射する方向(正面)から見ると、該直角三面鏡1の断(端)面は図7に示すように一辺の長さがaの正三角形ABCを形成している。図8はその側面図である。図7において、光路M1M2及びM2M3を妨げないコーナポイントOを中心とする直径a/3の円状(筒状)空間が存在する点。前記非特許文献3、4には、この原理を利用して長尺のねじ測定装置を実現したことが記載されている。
(2) On the other hand, when the right-angled
本発明においては、以上説明した直角三面鏡1のこれら2つの幾何光学的性質を利用し、マイケルソン干渉計における参照光をM1M2+M2M3の光路に、測定光を2OO1の光路に対応させ、又光路M1M2及びM2M3を妨げないコーナポイントOを中心とした空間に直径がa/3より小さい対物レンズを配置するという構造をとることによって、レーザ干渉計で測長する場合の反射体として直角三面鏡1を使い、その光路とその幾何光学的性質を巧みに利用し、「外乱に頑健な微細形状測定装置」を実現している。
In the present invention, using these two geometric optical properties of the right-angle
本発明によれば、「直角三面鏡で3回の入射・反射を繰り返す光路長の和は、最初の入射点と同じ位置の基点からコーナポイントまでの光路長の往復距離に等しい」という直角三面鏡1の幾何光学的性質を利用し、それぞれの光路長をマイケルソン干渉計の参照光と測定光に対応させたことにより、外乱に頑健な微細形状測定装置を提供することができる。
According to the present invention, the right-angled three-plane that “the sum of the optical path lengths that repeat the incidence and reflection three times with the right-angled trihedral mirror is equal to the round-trip distance of the optical path length from the base point at the same position as the first incident point to the corner point” By utilizing the geometric optical properties of the
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図9は、本発明に係る一実施形態の微細形状測定装置を光軸断面で見た正面図、図10は図9の測定装置をAA’断面で見た時の側面図、図11は図9の測定装置をBB’断面から下方の光路を中心に透視した平面図である。図12は図9の測定装置をBB’断面で見た直角三面フレーム天蓋である。 9 is a front view of the fine shape measuring apparatus according to the embodiment of the present invention as viewed in the optical axis section, FIG. 10 is a side view of the measuring apparatus in FIG. 9 as viewed in section AA ′, and FIG. It is the top view which saw through the measuring apparatus of No. 9 centering on the optical path below from a BB 'section. FIG. 12 is a right-angle three-plane frame canopy when the measuring apparatus of FIG.
便宜上、この図12に示した直角三面フレーム天蓋2から説明する。
For convenience, the description will be made from the right-angle three-
この天蓋2は、前記図7に示した直角三面鏡の正三角形ABCに対応する断面部の一部を覆う板部材であり、レーザが入射する第一孔3、レーザが反射して出てくる第二孔4、及び後述する対物レンズを固定するための固定用ねじ5が貫通加工してある。
The
次いで、光学系の構成について説明する。 Next, the configuration of the optical system will be described.
光学系の全体はマイケルソン干渉計の構成を成している。図9において、レーザ光源から出射した平行で、45°に傾いて設定された直線偏光6は、偏光ビームスプリッタ(分割手段)7のO2点で紙面に平行な振動面を持つP偏光成分(測定光)8と、紙面に直角(垂直)な振動面を持つS偏光成分(参照光)9の2つに分離(分割)される。
The entire optical system forms a Michelson interferometer. In FIG. 9, the linearly
P偏光成分8は偏光ビームスプリッタ7を通過した後、λ/4板10によって円偏光11にされる。この円偏光11のレーザは、前記直角三面フレーム天蓋2に固定されている対物レンズ12によって測定対象面(測定面)13のO点に絞られる。O点は又、幾何学的に直角三面鏡のコーナポイントのO点に対応する空間位置にある。なお、以下の説明では、測定対象面13は、測定する上面以外に対象物自体をも意味するものとする。
After passing through the
測定対象面13から反射した円偏光14のレーザはマイケルソン干渉計の光学系では測定光に相当し、再びλ/4板10を通過すると、今度はS偏光成分15となり、偏光ビームスプリッタ7のO2点及び偏光ビームスプリッタ16のM4点で反射され、P方向へ向かう。
The laser of the circularly polarized light 14 reflected from the
一方、偏光ビームスプリッタ7のO2点でP偏光成分8に直交する方向に反射されたS偏光成分9は直角プリズム(反射手段)17のM0点でP偏光成分8に平行な方向に反射され、同様にλ/4板10を通過して円偏光18となり、直角三面鏡1を成す3つの平面鏡(鏡面部)M1、M2、M3で順次反射され、λ/4板10を再び通過してP偏光成分19となって偏光ビームスプリッタ(合成手段)16のM4点を通過する。重なり合った両成分15、19は偏光板20を通過して干渉縞をQに生成する。
On the other hand, the S-polarized
次に、機構系の構成について説明する。 Next, the structure of the mechanism system will be described.
図9において、直角三面鏡1を成す3つの平面鏡M1、M2、M3は、互いに直角を成す(直交する)3つの貼板21、22、23の板面に貼付固定される。貼板21、22、23は一体の直角三面フレーム24を成し、その両サイドの側板24A、24Aが左右に1対ずつある平行板ばね25と26を介して支持板27と28にしっかりと固定されている。支持板27と28はフレーム天板29に上端部が固定され、支持されている。従って、直角三面フレーム24は平行板ばね25と26によって左右方向の運動が拘束され、上下方向にある程度自由度のある状態で結合され、保持されている。
9, the three plane mirrors forming a right-angle
直角三面フレーム24の底部24B下側には先端(下端)に半球状の鋼球を持つ足30と31が左右に取付けられており、コーナポイントO点に対し、互いに等距離の位置にある。左右の鋼球先端はそれぞれ鏡面状態の基準平面32と33に軽い力で接触し、滑動可能に支持されている。軽い接触力は2対の平行板ばね25と26によって与えられる。基準平面32や33はほぼ測定対象面13と高さが揃っている。なお、この基準平面32や33も、基準となる上面以外に部材自体をも意味するものとする。
モータ34はカップリング35を介して、前記測定対象面13や左右の基準平面32、33が載置されているステージ36を左右に移動させる。このモータ34はベース上に固定され、ステージ36は同一ベース上を水平方向に移動可能に載置されている。従って、モータ34を駆動し、ステージ36を左右に移動させると、測定対象面13の微細形状が非接触状態で走査測定される。但し、測定可能な測定対象面13の凹凸は、前記非特許文献1、2で明らかにされているように、対物レンズ12の倍率に依存し、倍率60〜10倍の対物レンズでは、振幅で50μm以下、傾きで±5°以下の範囲に限られる。
The
対象とする測定対象面13では測定可能な範囲が振幅で50μmあれば十分であるが、傾きの制限は解決しなければならない。
Although it is sufficient that the measurable range of the
そこで、前記特許文献1に説明されている粗さ測定装置のように、図9の中央に固定されている対物レンズ12の鏡筒に、図13の触針式センサ37を適宜取り付けるようにする。触針式センサ37の円形フレーム38は対物レンズ12から取り外し可能で、ねじ39で鏡筒に固定することにより、触針40で測定対象面13をなぞることができる。
Therefore, like the roughness measuring apparatus described in
触針40の背面には小反射鏡41が付設され、その反射鏡位置をコーナポイントOに対応させると共に、同位置と対物レンズ12の焦点を対応(一致)させて測定対象面13の上下動(凹凸)を測定する。この方法によって測定対象面13の微細形状の傾きの制限を除去することができる。なお、触針40は円形フレーム38の一端に接合した板ばね42で上下動可能に支えられている。
A small reflecting
以上の光学系と機構系の構成を備えた本実施形態の微細形状測定装置について、図9の正面図を中心に、図10の側面図や図11の平面図を参考にしながら、作用効果を説明する。 With respect to the fine shape measuring apparatus of the present embodiment having the above-described optical system and mechanism system, the effects can be obtained with reference to the side view of FIG. 10 and the plan view of FIG. explain.
(1)測定対象物の外乱(上下動、微振動、傾き)の除去について
モータ34を駆動し、カップリング35を介してステージ36を移動させるとき、ステージ36の上下の浮き沈みや外部からの微振動は基準平面32や33の上下動となり、直角三面フレーム24を上下させる。直角三面フレーム24の上下動は平行板ばね25と26の可撓性によって機械的に吸収される。
(1) Removal of disturbance (vertical movement, fine vibration, tilt) of the measurement object When the
一方、同時に測定対象面13も等量だけ上下動するので、結果として参照光の光路長:M0M1+M1M2+M2M3+M3M4と、測定光の光路長:2OO2は相対的に何等変化しない。従って、測定対象面13の微細形状測定には何等影響を与えない。なお、図9のM1M2+M2M3の空間における光路長が2OO1の光路長に等しいことは、既に図6で説明したとおりであり、非特許文献3、4にも説明されている。
On the other hand, since the
更に、ステージ36が移動中に微妙に傾き変化を起こしながら移動しても、測定対象面13のコーナポイントOが左右の基準平面32と33の中心に位置しているので、傾きにより左右の基準平面32や33に異なる上下変位があってもその平均値が影響することとなり、やはり参照光と測定光の光路長は等量の変化であり、測定対象面13の微細形状測定には何等影響を与えない。
Further, even if the
(2)フレーム側板の上下方向への熱膨張の除去について
前記フレーム天板29をベース上に支持固定している左右のフレーム側板43や44が温度変化によって上下に伸縮する影響について述べる。
(2) Removal of thermal expansion in the vertical direction of the frame side plate The influence of the left and right
まず簡単のために、伸縮の基点を測定対象面13に位置するコーナポイントOにとる。温度上昇によってフレーム側板43や44が熱膨張によってΔL上へ伸びたとする。このとき、フレーム天板29に固定されている偏光ビームスプリッタ7のO2点はΔLだけ上へ変位する。同様に、フレーム天板29に固定されている直角プリズム17のM0点や偏光ビームスプリッタ16のM4点もΔLだけ上へ変位する。
First, for the sake of simplicity, the base point of expansion and contraction is set at a corner point O located on the
従って、結局はマイケルソン干渉計の参照光に相当するO2M0+(M0M1+ΔL)+M1M2+M2M3+(M3M4+ΔL)の光路長の和と、その測定光に相当する2(OO2+ΔL)+O2M4の光路長は等しいので、測定対象面13の微細形状測定には何の影響も与えない。
Therefore, the sum of the optical path lengths of O 2 M 0 + (M 0 M 1 + ΔL) + M 1 M 2 + M 2 M 3 + (M 3 M 4 + ΔL) corresponding to the reference light of the Michelson interferometer, and Since the optical path lengths of 2 (OO 2 + ΔL) + O 2 M 4 corresponding to the measurement light are equal, there is no influence on the fine shape measurement of the
但し、厳密に言えば支持板27や28の熱膨張もあるが、フレームと同じ材料で作製されていると考えれば、熱膨張量をフレーム側板43と44で代表できる。互いの材料が異なっていてもその相対的な熱膨張量の影響と考えられるので、材料の差異を考慮する必要はない。
Strictly speaking, there is thermal expansion of the
(3)フレーム天板の左右方向への熱膨張の除去について
フレーム天板29が温度変化によって左右へ伸縮する影響について述べる。簡単のため、伸縮の基点を偏光ビームスプリッタ7の点O2にとる。温度上昇するとフレーム天板29が左右に等量ずつΔLだけ伸びるとする。このとき、マイケルソン干渉計の参照光に相当する光路長の和はO2M0+M0M1+M1M2+M2M3+M3M4+ΔLであり、その測定光に相当する光路長の和は2OO2+O2M4+ΔLとなり、等しく変化する。
(3) Removal of thermal expansion in the left-right direction of the frame top plate The effect of the
このことは、レーザが3次元空間を反射しながら走る直角三面鏡1の光路ではわかり難いので、直角三面鏡1と同様の性質を持つ2次元空間で解析できる図14の直角二面鏡45(俗に言う直角プリズム)でその光路長の変化を説明する。なお、対応関係の理解を容易にするため、図14では図9と対応すると思われる光学部品や位置は同じ符号で表わすことにする。
This is difficult to understand in the optical path of the right-angled
図14において、熱膨張前では
参照光の光路長O2M0+M0M1+M1M3+M3M4
=測定光の光路長2O2O+O2M4
である。
In FIG. 14, the optical path length of the reference light O 2 M 0 + M 0 M 1 + M 1 M 3 + M 3 M 4 before thermal expansion
= Optical path length of measuring light 2O 2 O + O 2 M 4
It is.
熱膨張後に、フレーム天板29が左右にΔL伸びたとすると、参照光の光路長はO2M0’+M0’M1’+M1’M3’+M3’M4’、一方、測定光の光路長は2O2O+O2M4’と変化する。ここで、O2M0’=O2M0+ΔL、M0’M1’=M0M1−ΔL、M1’M3’=M1M3+2ΔL、M3’M4’=M3M4−ΔL、O2M4’=O2M4+ΔL、であることが図14から容易に理解できる。
If the
結局、熱膨張後においても、
参照光の光路長O2M0’+M0’M1’+M1’M3’+M3’M4’
=測定光の光路長2O2O+O2M4’
が成り立っており、測定対象面13の微細形状測定に対してフレーム天板29の左右方向への熱膨張の影響を受けない。
After all, even after thermal expansion,
Optical path length of reference light O 2 M 0 '+ M 0 ' M 1 '+ M 1 ' M 3 '+ M 3 ' M 4 '
= Optical path length of measuring light 2O 2 O + O 2 M 4 '
Thus, the measurement of the fine shape of the
但し、図14における直角二面鏡45に左右への熱膨張量があると参照光の光路長に影響を与えるので、図9、図10、図11に示す直角三面フレーム天蓋2、貼板21、22、23、直角三面フレーム24はインバー(invar)等の低熱膨張材で製作しておくことが有効である。
However, if the right-angled
以上、詳述した本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。 As mentioned above, according to this embodiment explained in full detail, the following effects can be acquired.
(1)「直角三面鏡で3回の入射・反射を繰り返す光路長の和は、最初の入射点と同じ位置の基点からコーナポイントまでの光路長の往復距離に等しい」という直角三面鏡1の幾何光学的性質を利用し、それぞれの光路長をマイケルソン干渉計の参照光と測定光に対応させたことにより、外乱に頑健な微細形状測定装置を提供することができる。 (1) The sum of the optical path lengths that repeats incidence and reflection three times with a right-angle trihedral mirror is equal to the round-trip distance of the optical path length from the base point at the same position as the first incident point to the corner point. By utilizing the geometrical optical properties and making the respective optical path lengths correspond to the reference light and the measuring light of the Michelson interferometer, it is possible to provide a fine shape measuring device that is robust against disturbance.
(2)直角三面鏡1の断面の正三角形の一辺がaの場合、コーナポイントを中心とする幾何光学的な空間に、直径がa/3より小さい対物レンズ12を配置したことにより、直角三面鏡1で3回の入射・反射を繰り返して進むレーザの光路を妨げないようにできる。
(2) When one side of the equilateral triangle of the cross section of the right-angled
(3)前記図13に示したように、触針40の背面に付設された小反射鏡41を、コーナポイントOに対応させると共に、該反射鏡41に対物レンズ12の焦点が一致するように触針式センサ37を取付けることにより、アッベの原理以上に厳密に、スケール(レーザ干渉計の測定光)の測定点(直角三面鏡1のコーナポイントO)と、測定物(測定対象面13)の測定点O’とを完全に空間の1点で合致させた配置とすることができる。従来知られているアッベの原理に従えば、スケールと測定物を一直線上に配置するので、それぞれの測定点は必ず空間で分離した位置に配置されることから、外乱の影響を受け易いことになる。
(3) As shown in FIG. 13, the small reflecting
(4)偏光ビームスプリッタ7のO2点で2分割された直線偏光のレーザビーム(P偏光成分8とS偏光成分9)が再び偏光ビームスプリッタ16のM4点で重なり合うまでの参照光と測定光の空間での光路長が全く等しいので、干渉縞発生の際のビジビリティ(可視度)を十分に高めた配置のマイケルソン干渉計の光学系とすることができる。
(4) Measurement with reference light until linearly polarized laser beam (P-polarized
(5)測定対象物を搭載したステージ36の浮き沈みや外部からの微振動等による上下動があると、直角三面フレーム24の上下動は2対の平行板ばね25と26によって機械的に吸収される。又測定対象面13も直角三面フレーム24と同時に等しく上下動する。即ち、直角三面鏡1の参照光と測定光の光路長はそれぞれ等量で変化するので、測定対象面13の微細形状測定には何等の影響も与えないという特徴が発揮できる。
(5) When there is vertical movement due to ups and downs of the
(6)測定対象面13の位置を基点に、測定装置を構成するフレーム全体が熱膨張によって上下に伸縮しても、偏光ビームスプリッタ7を基点にフレーム天板29が熱膨張によって左右に伸縮しても、マイケルソン干渉計を構成している直角三面鏡1の参照光路と測定光路は等量で変化する。従って、測定対象面13の微細形状測定には何等の影響も与えないという特徴を有する。
(6) Even if the entire frame constituting the measuring apparatus is vertically expanded and contracted by thermal expansion with the position of the
(7)フレーム天板29に上下の外力を加えて変形させても、マイケルソン干渉計を構成する参照光と測定光の光路長は等しく変化するので、測定対象面13の微細形状測定には何等の影響も与えないという特徴を有する。
(7) Even when the
1…直角三面鏡
2…直角三面フレーム天蓋
3…レーザが入射する孔
4…レーザが反射して出てくる孔
5…対物レンズ固定用ねじ
6…45°に傾いて設定された直線偏光
7…偏光ビームスプリッタ
8…P偏光成分
9…S偏光成分
10…λ/4板
11…円偏光
12…対物レンズ
13…測定対象面
14…円偏光
15…S偏光成分
16…偏光ビームスプリッタ
17…直角プリズム
18…円偏光
19…P偏光成分
20…偏光板
21、22、23…貼板
24…直角三面フレーム
25、26…平行板ばね
27、28…支持板
29…フレーム天板
30、31…足
32、33…基準平面
34…モータ
35…カップリング
36…ステージ
37…触針式センサ
38…円形フレーム
39…ねじ
40…触針
41…小反射鏡
42…板ばね
43、44…フレーム側板
45…直角二面鏡
DESCRIPTION OF
Claims (6)
該参照光を測定光と平行な方向に反射する反射手段と、
前記測定面で反射された後、前記分割手段により前記参照光とは反対の方向へ反射された測定光と、前記測定面で反射された測定光と平行な方向に戻ってきた前記参照光とを合成する合成手段と、を備えたマイケルソン干渉計を基本とした微細形状測定装置であって、
前記測定面を直角三面鏡のコーナポイントに対応させ、
前記反射手段により反射された参照光の光路に、該直角三面鏡に対応する各鏡面部を配置したことを特徴とする微細形状測定装置。 Splitting means for splitting monochromatic light into measurement light traveling in the direction of the measurement surface and reference light traveling in a direction orthogonal to the measurement light;
Reflection means for reflecting the reference light in a direction parallel to the measurement light;
After being reflected on the measurement surface, the measurement light reflected in the direction opposite to the reference light by the dividing unit, and the reference light returned in a direction parallel to the measurement light reflected on the measurement surface; A fine shape measuring apparatus based on a Michelson interferometer, comprising:
The measurement surface corresponds to the corner point of a right-angled trihedral mirror,
A fine shape measuring apparatus, wherein each mirror surface portion corresponding to the right-angled trihedral mirror is arranged in the optical path of the reference light reflected by the reflecting means.
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