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JPH01184402A - 光学式変位測定方法および測定装置 - Google Patents

光学式変位測定方法および測定装置

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Publication number
JPH01184402A
JPH01184402A JP63008975A JP897588A JPH01184402A JP H01184402 A JPH01184402 A JP H01184402A JP 63008975 A JP63008975 A JP 63008975A JP 897588 A JP897588 A JP 897588A JP H01184402 A JPH01184402 A JP H01184402A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
interference
displacement
measurement
moving part
mirror
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP63008975A
Other languages
English (en)
Inventor
Hideo Takizawa
滝沢 英郎
Tadashi Suda
須田 匡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi High Tech Corp
Original Assignee
Hitachi Electronics Engineering Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Electronics Engineering Co Ltd filed Critical Hitachi Electronics Engineering Co Ltd
Priority to JP63008975A priority Critical patent/JPH01184402A/ja
Publication of JPH01184402A publication Critical patent/JPH01184402A/ja
Pending legal-status Critical Current

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  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、光学式の変位測定方法および測定装置に関
し、詳細には波長の16分の1の分解能を有し、かつ移
動部の変位方向を識別する方法および装置に関するもの
である。
[従来の技術] 光学式変位測定装置においては、光の干渉現象を利用し
て、波長程度の微小変位を測定することができる。
第3図(a)はトワイマン・グリーン型とよばれる干渉
計による変位測定方法の原理図で、レーザ光源1よりの
レーザビームをビームスプリッタ2により進行方向の測
定ビームmと、これと直角方向の参照ビームrに分割す
る。測定ビームは測定対象の移動部7に固定された測定
ミラー4により反射して、ビームスプリッタ2に戻り、
さらに直角方向に反射して下方に進む。一方、参照ビー
ムは固定部に固定された参照ミラー3により反射し。
ビームスプリッタを透過して、前記の測定ビームと合成
され、互いに干渉して干渉縞5を生ずる。
干渉縞のピッチ間隔δXはビームの往復により、移動部
の2分の1波長の変位に相当し、すなわち干渉縞の周期
はλ/2である。移動部の移動に伴って移動する干渉縞
を受光器6により検出して干渉縞信号5aをえて、その
ピークをカウントすれば、変位がλ/2単位で測定でき
る。
以上においては、レーザビームの偏光面は無関係とした
が、直線偏光ビームを使用して構成することができる。
第3図(b)はその1例で、光源1より直v&偏光のレ
ーザビームは、偏光ビームスプリッタ8により、互いに
直角な偏光面の測定ビームmと参照ビームrに分割され
、図(a)の場合と同様に合成されて干渉縞を生ずる。
ただしこの場合は、両ビームの開先面が互いに直角であ
るのでこのままでは干渉しない。そこで、λ/4位相板
9により、回転方向が互いに反対の日清光波として干渉
させ、さらに一定の偏光面のみを透過する直線検光子I
Oを通して干渉縞信号をうるちのである。
なお、この場合は測定ミラー4を固定し、これに対して
ビームスプリッタ8と参照ミラー3を移動部7に固定し
て、移動するものであるが、その変位δXの測定原理は
上記と変わりはない。
さて、半導体製品においては技術の進歩によりfCCフ
ッのパターンサイズはますます微細化してサブミクロン
の領域に達しており、これに対応した微小移動機構およ
びその移動距離の測定装置が必要とされている。これに
対して上記のトワイマン・グリーン型干渉計による測定
では、例えばレーザ光源として波長が凡そ0.8μmの
半導体レーザを使用する場合、入/2=0.4μmとな
り、分解能が過大で使用できない。また、製品の製造、
検査における移動機構においては変位の方向を知ること
が必要な場合があるが、上記の干渉縞信号のカウントで
は、変位または移動の方向性が判別できない。そこで、
分解能を高め、かつ変位方向を識別できる方法が望まれ
ている。
し解決しようとする課題] 以上に対する先行技術として、干渉ビームの受光系を工
夫して分解能をλ/8に高め、同時に変位方向を識別で
きる方法が、この発明の発明者により提案され「特願6
2−1923445号、光学式変位測定方法および測定
装置」として出願されている。
第4図(a ) 、 ’(b )は上記特願による変位
測定装置の要部と作用の説明図で、図<a)において直
線偏光の合成ビームはλ/4位相板9により回転偏光と
され、2個の無偏光のビームスプ゛す・ツタ11により
3分割されてそれぞれ直線検光子10−1 、10−2
.10−3に入力する。各検、光子は、その偏光面の方
位角を順次π/2づつ変化しておき、これに対する3個
の受光器6の出力する干渉縞信号gl、E、、i:、を
差動増幅器!3を通すことにより、λ/2を周期とする
正弦波E1と余弦波Ebがえられる。信5号処理部12
にお−いてEa、Ebの極性変換点を検出することによ
り°、変位量をλ/8の分解能で測定し、同時に図(b
)に示す両波の極性の性質より変位の方向を識別するも
のである。
しかしながら、上記の特願による変位測定装置の分解能
λ/8では、いまだ不充分な場合がある。
すなわち、前記のように波長λが0,8μmの場合、分
解能は0,1μmであるが、例えば0.5μmのパター
ンサイズのICチップの製蓬ないしは検査においては、
その10分の1の0.05μmの精度で移動または検査
を行うことが必要である。そこで、上記特願にかかる方
法をさらに改善して分解能を向上することが望まれてい
る。
この発明は上述したところに鑑みてなされたもので、ト
ワイマン・グリーン型干渉計による変位測定装置におい
て、干渉ビームを4分割して各干渉ビームにπ/4の位
相差を与えて処理することにより、λ/16の分解能を
有し、かつ変位の方向が識別できる変位測定方法および
測定装置を提供することを目的とするものである。
[課題を解決するための手段] この発明は、直線偏光のレーザビームを偏光ビームスプ
リッタにより、偏光面が互いに直角をなす測定ビームと
参照ビームに分割し、移動部の測定ミラーおよび固定部
の参照ミラーによりそれぞれ反射された測定ビームと参
照ビームとを合成した合成ビームの干渉縞を検出して移
動部の変位を測定する測定方法であって、合成ビームを
λ/4位相板(λ;波長)を通して円偏光の干渉ビーム
に変換したのち、3個の無偏光ビームスプリッタにより
4分割し、分割された各干渉ビームを、偏光面が順次に
π/4づつ異なる方向(方位角)の4個の直線検光子を
それぞれ透過させて受光器で受光する。信号処理部にお
いては、受光器より出力され、順次にπ/4の位相差を
有する’4gの干渉縞信号の極性変換点を検出して、移
動部の変位とλ/16の分解能で測定し、かつ変位方向
を識別するものである。
次にこの発明による変位測定装置は上記の方法を具体化
したもので、直線偏光のレーザビームを偏光面が互いに
直角をなす測定ビームと参照ビームに分割する偏光ビー
ムスプリッタと、測定ビームに対して移動部1こ設けら
れた測定ミラーと、参照ビームに対して固定部に設けら
れた参照ミラーと、測定ビームと参照ビームの合成ビー
ムを円偏光の干渉ビームに変換するλ/4位相板と、こ
の干渉ビームを4分割する3個の無偏光ビームスプリ 
−ツタと、分割された各干渉ビームに対応し、透過する
偏光面の方位角が順次にπ/4づつ異なる4個の直線検
光子と、各検光子に対する受光器と、信号処理部とによ
り構成される。信号処理部においては、各受光器より出
力される、順次にπ/4の位相差を有する4個の干渉縞
信号を入力して、移動部のλ/!6の変位に相当する干
渉縞信号の極性変換点を検出し、併せて移動部のλ/1
6の変位に相当する変位方向を識別するものである。
[作用] この発明による光学式変位測定方法および測定装置にお
いては、測定ビームと参照ビームをλ/4位相板を通す
ことにより、各ビームは互いに反対方向に回転する2つ
の円偏光ビームとなって干渉する。この2つのビームは
、移動部の変位により互いの位相差が変化するもので、
それらの合成ビームの偏光面は位相差の変化とともに回
転し、移動部のλ/2の変位ごとに1回転する。すなわ
ちλ/2が周期である。この干渉ビームを4分割して、
それぞれを方位角が順次π/4づつ異なる4111の直
線検光子を通すときは、位相がπ/4づつ異なる4個の
干渉縞信号かえられる。このような干渉縞信号の各極性
変換点を検出することにより、λ/16の分解能で変位
が測定され、同時に各干渉縞信号の極性の性質より移動
部の変位方向が識別されるものである。
[実施例] 第1図(a)は、この発明による光学式変位測定方法お
よび測定装置の実施例の構成図である。図において、レ
ーザ光源lよりの直線偏光のレーザビームは投光レンズ
14によりコリメイトされ、偏光ビームスプリッタ8に
より進行方向の測定ビームmと直角方向の参照ビームr
に分割される。
両ビームはそれぞれ測定ミラー4と参照ミラー3により
反射されて、偏光ビームスプリッタにおいて合成される
。この場合、両ビームはλ/4位相板9−1.9−2に
より偏光方向が直角に変換されるので、測定ビームは反
射されて下方に向かい、また参照ビームは直進する0両
波の偏光面が互いに直角であるので、ここでは干渉しな
いが1次のλ/4位相板9−3により互いに反対方向に
回転する回転偏光波となって干渉し合う干渉ビームとな
る。
干渉ビームは、3個の無偏光ビームスプリッタIt−1
,11−2,11づにより逐次に4分割されて、それぞ
れは直線検光子10−1.10−2,10づおよび10
−4によりそれぞれの偏光面の方位角に対する成分が透
過し、受光器6−1.6−2.6−3および6−4より
干渉縞信号E、、E、、E、およびE4として移動部の
位置に応じた値が出力される。各検光子の層光面の方位
角は、第1図(c)に示すA 1 、 A 2 、 A
 3およびA4のように順次にπ/4づつの角度をなし
ているので。
各干渉縞信号の位相差もこれに従って、π/4をなす。
上記においては、3個の無偏光ビームスプリッタll−
1,11−2,114を縦続に接続したものであるが、
これらを第1図(b)のように接続することもできる。
すなわち無偏光ビームスプリッタ11−!で分割した一
方をさらに11−2で分割し、他方を11づで分割して
、4分割する。この場合は、分割された各ビームの強度
が等しいので受光器などのレベル調整がやや容易となる
第2図(a)、(b)は上記の干渉縞信号El〜E4よ
り、移動部の変位を検出する方法を示すもので、各干渉
縞信号波は図のように、π14の位相差でオーバーラツ
プして、それらの極性変換点の間隔は周期2πの8分の
1であり、これがλ/16に相当し、1周期は8区間と
なる。いま、移動部が変位すると干渉ビームが回転する
ので、各干渉縞信号E1〜E4の極性が図(b)に示す
ように区間I〜■に対応して変化する。信号処理部12
においてこの極性変換点を検出することにより、λ/1
6の分解能で変位を測定することができる。また、区間
■〜■では、各干渉縞信号の極性の配列には同一のもの
がなく順次サイクリックに変化し、極性の移行に方向性
があるので、信号処理部でこの移行を検知して変位方向
を識別するものである。
[発明の効果] 以上の説明により明らかなように、この発明による光学
式変位測定方法および測定装置においては、トワイマン
・グリーン型干渉計によりえられる干渉ビームより、位
相の異なる4個の干渉縞信号をつくり、その極性変換点
を検出することにより、λ/16の分解能で移動部の変
位が測定される。
例えば波長0.8μmのレーザビームを使用する場合、
分解能は0,05μmとなり、サブミクロンオーダーの
半導体ICパターンの製造、検査に充分適用できるもの
である。また、各干渉縞信号の極性配列の移行より、変
位方向を識別することができるので、方向性を必要とす
る場合に有効であり、半導体など微小加工技術分野に寄
与するところには大きいものがある。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)、(b)、(C)は、この発明による光学
式変位測定方法および測定装置の実施例における構成図
と、直線検光子の方位角の図、第2@(a)、(b)は
、第1図(a)、(b)、(c)における干渉縞信号の
波形図と、移動部の変位による干渉縞信号の極性の移行
表の図、第3図(a)、(b)はトワイマン・グリーン
型干渉計と直線偏光波を使用する従来の変位測定装置の
構成図、第41ff(a)、(b)はこの発明の発明者
により特許された先行技術による光学式変位測定方法お
よび測定装置の構成図と干渉縞信号の極性の移行表の図
である。 1・・・レーザ光源、   2・・・ビームスプリッタ
、3・・・参照ミラー、    4・・・測定ミラー、
5・・・干渉ビーム、   5a・・・干渉縞信号。 6・・・受光器、     7・・・移動部、8・・・
偏光ビームスプリッタ、9・・・λ74位相板、10・
・・直線検光子、+1・・・無偏光ビームスプリッタ、
12・・・信号処理装置、  13・・・差動増幅器。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)偏光ビームスプリッタにより直線偏光のレーザビ
    ームを、偏光面が互いに直角をなす測定ビームと参照ビ
    ームに分割し、移動部の測定ミラーおよび固定部の参照
    ミラーによりそれぞれ反射された測定ビームと参照ビー
    ムとを合成した合成ビームの干渉縞を検出して上記移動
    部の変位を測定する測定方法において、上記合成ビーム
    をλ/4(λ:波長)位相板を通して円偏光の干渉ビー
    ムに変換したのち、3個の無偏光ビームスプリッタによ
    り4分割し、該分割された各干渉ビームを、偏光面が順
    次にπ/4づつ異なる方位角とする4個の直線検光子を
    それぞれ透過させ、該透過した各干渉ビームに対する受
    光器より出力され、順次にπ/4の位相差を有する4個
    の干渉縞信号の極性変換点を検出することにより、上記
    移動部の変位をλ/16の分解能で測定し、かつ変位方
    向を識別することを特徴とする、光学式変位測定方法。
  2. (2)直線偏光のレーザビームを、偏光面が互いに直角
    をなす測定ビームと参照ビームに分割する偏光ビームス
    プリッタと、該測定ビームに対して移動部に設けられた
    測定ミラーと、該参照ビームに対して固定部に設けられ
    た参照ミラーと、該測定ミラーおよび該参照ミラーでそ
    れぞれ反射した測定ビームと参照ビームとを上記偏光ス
    プリッタで合成し、該合成ビームを円偏光の干渉ビーム
    に変換するλ/4(λ:波長)位相板と、該干渉ビーム
    を4分割する3個の無偏光ビームスプリッタと、該分割
    された各干渉ビームに対応し、透過する偏光面の方位角
    が順次にπ/4づつ異なる4個の直線検光子と、該4個
    の検光子に対する4個の受光器と、該受光器より出力さ
    れ、上記移動部のλ/2の変位を周期2πとして順次に
    π/4づつの位相差を有する4個の干渉縞信号を入力し
    て、上記移動部のλ/16の変位に相当する該干渉縞信
    号の極性変換点を検出し、かつ上記移動部の変位方向を
    識別する信号処理部とにより構成されたことを特徴とす
    る、光学式変位測定装置。
JP63008975A 1988-01-18 1988-01-18 光学式変位測定方法および測定装置 Pending JPH01184402A (ja)

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