JPH027001B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、光学的位置検出装置に係り、特に高
精度な光学的位置検出装置に関する。

〔従来技術〕

光学的な検出方式には、位置検出を行うものと
して、光源とフオトトランジスタを用い、光路に
光をしや断するエツジで設けたものがあるが、分
解能としては0.1mm位であり、再現性も良くない。

また、高精度な方法として、レーザによる干渉
計があるが、これも基準位置の検出ができないと
いう欠点がある。

撮像素子を使用する検出方式では、光学系から
得られる像の分解能は、その走査線の幅で決ま
り、限界がある。

比較的高精度な光学的位置検出方式として光ポ
ジシヨニングセンサを用いたものがある。

この光ポジシヨニングセンサを用いた従来の光
位置検出方式を第１図により説明する。

従来方式の光位置検出器は、位置検出部３、光
学的ピツクアツプ４およびピツクアツプ制御部１
７より成る。位置検出部３は、光ポジシヨニング
センサ５、Ｘ軸方向信号変換器２２、Ｙ軸方向信
号変換器２３、光ポジシヨニングセンサ電源２１
および位置信号制御器２４により構成され、光学
的ピツクアツプ４は、レンズ駆動部６、λ／４波
長プレート７、ビームスプリツタ８、コリメータ
レンズ９、光源１０、シリンドリカルレンズ１１
および焦点位置検出器１２により構成され、ピツ
クアツプ制御部１７は、光源駆動回路１３、焦点
信号増幅器１４、レンズ駆動回路１５、およびピ
ツクアツプ制御器１６により構成されている。

光ポジシヨニングセンサ５は、一次元または二
次元の位置を検出できる。第２図において、Ｘ軸
方向の位置信号は差動アンプ３２により検出さ
れ、Ｙ軸方向の位置信号は差動アンプ３３により
検出され、それぞれ、信号変換器２２，２３に送
られる。

光学的ピツクアツプ４の構成は、ビデオデイス
ク等に使用されているものと同じである。光源１
０から発した光ビームを、絞りレンズ３１を動か
すことにより、自動的に光ポジシヨニングセンサ
５の受光面に結ぶように制御する。この制御はピ
ツクアツプ制御部１７により行われる。

ピツクアツプ制御部１７では、ビームスプリツ
タ８、シリンドリカルレンズ１１、焦点位置検出
器１２、焦点信号増幅器１４を介して得られた信
号、および主制御部２０、ピツクアツプ制御器１
６から得られた信号によりレンズ駆動回路１５、
レンズ駆動部６を制御する。

基準位置合せは、位置出力３０を利用して取付
台２５を動かすことにより自動的に行う。

このように光ポジシヨニングセンサを用いた従
来装置では、基準位置を検出でき、分解能も0.01
mm位であり比較的精度も高いが、半導体製造プロ
セスのマスク位置合せや、精密機械の位置検出部
等の高精度が要求されるものに対して不十分な精
度である。

従来の光学的位置検出方式の分解能を向上する
ためには、光学系で拡大する手段が必要である。
拡大する手段としては顕微鏡、拡大鏡などがある
が、拡大する倍率が大きいほどの焦点位置制御が
難しくなる。この制御には多くの調整を行う必要
性が生じ、構成が非常に複雑となり、さらには再
現性も良くないという欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記の如き従来の欠点を改善
し、高分解能で再現性も良く、しかも調整の不用
な光学的位置検出装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため、本発明の光学的位置
検出装置は、被測定物を搭載する取付台２５に固
定された光学的ピツクアツプ手段４と、該光学的
ピツクアツプ手段からの光ビームの像を拡大する
手段２と、該光学的ピツクアツプ手段内の絞り込
みレンズ３１の焦点位置に設けられたハーフミラ
ー１と、上記光ビーム像拡大手段２に関して上記
ハーフミラー１と共役な位置に設けられ、かつ上
記光ビーム像拡大手段２との位置関係が一定にさ
れた光信号変換手段３と、上記ハーフミラー１か
らの反射光を受けて焦点位置のずれを検出し、該
焦点位置のずれに基づき上記絞り込みレンズの位
置を制御して上記光ビームの焦点位置を変化させ
る光ビーム焦点位置制御手段１７とを有すること
に特徴がある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

本発明と従来技術との相違点は、第４図、第５
図に示す如く、光学的ピツクアツプ４と光ポジシ
ヨニングセンサ５又は受光面３２との間にハーフ
ミラー１と光学的倍率器２とを設けた点である。
ハーフミラー１は光学的倍率器２の焦点位置に設
けられているため、常に光学的倍率器２を理想状
態で使用できる。なお、前記光学的倍率器２の焦
点位置とは、光学系によつて光ポジシヨニングセ
ンサ５上に像を結ぶ位置のことである。

ハーフミラー１は、第３図に示すように、基板
２６、反射膜２７、保護膜２８から成る。本実施
例では、基板２６をガラスとし、反射膜２７を厚
さ0.5μmのクロム蒸着とし、保護膜２８をつけて
ある。ハーフミラーの基板面１ｂが絞り込みレン
ズに相い対しているのは、絞り込みレンズ３１と
の相関で光ビームの収差を取るためであるが、光
学的倍率器２の倍率が低い場合問題とはならな
い。

光学的ピツクアツプ４は、取付台２５に取付け
られており、この取付台２５がハーフミラー１に
対し水平方向に二次元に動く被測定物に取付けて
ある。

次に、本発明の動作を説明する。

光源１０から発した光ビームを、絞り込みレン
ズ３１により絞り込み、その絞り込んだビームが
ハーフミラー１の反射膜２７に結ぶように自動制
御する。該自動制御はハーフミラー１からの光学
的ピツクアツプ４に向けて反射した光ビームを用
いて行う。すなわち、光源１０から発せられた光
ビームはハーフミラー１の反射膜２７により反射
され、ビームスプリツタ８によりシリンドリカル
レンズ１１に入射する。入射した光ビームは、シ
リンドリカルレンズ１１により焦点位置検出器１
２上に集光するが、その集光状態により焦点位置
検出器１２は、絞り込みレンズ３１の焦点位置の
ずれを検出する。焦点位置検出器１２より得られ
た焦点位置ずれ情報に基づいて、ピツクアツプ制
御部１７のレンズ駆動回路１５は、レンズ駆動部
６を動かして、絞り込みレンズ３１により絞り込
まれた光ビームがハーフミラー１の反射膜２７上
に焦点するように自動制御する。このようにし
て、絞り込みレンズ３１の焦点位置合せ操作は、
自動的に行われる。

一方、ハーフミラー１を透過した光ビームは、
光学倍率器２により、所定の倍率で光ポジシヨニ
ングセンサ５の上に像を結ぶ。光ポジシヨニング
センサ５からの信号取り出しは第２図に示すよう
に、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向のそれぞれの差動アンプ
３２，３３により二次元の位置信号として、位置
信号制御器２４に送り、主制御部２０から制御を
行う。

本実施例では、位置出力３０を利用して取付台
２５を動かし、基準位置合せを自動的に行つてい
る。さらに、本実施例では、光学倍率器２の倍率
を可変とするため、主制御部２０から信号を与
え、倍率器駆動部１８により光学系の倍率を変え
ている。これはカメラのズーム機構と同じでもの
である。光源には半導体レーザを用い、装置の小
型化を図つている。反射膜及び光学系の焼けを防
止するため、レーザ出力は、ハーフミラー面で約
1mWとしている。また、絞り込みレンズNA0.5
を用い、光ポジシヨニングセンサ５の上に、光学
的倍率器の倍率を約400倍とした時直径約0.6mmの
像を結ぶようにしてある。上記実施例の分解能は
0.1μm以下であり、再現性も0.1μm以下であるこ
とが確認されている。

光学的には倍率をさらに向上する事が可能で一
桁近い精度の向上が望める。また振動に強く光学
系の微調整も不用である。更に、他の実施例とし
て、光学的ピツクアツプ４を固定し、被測定物に
ハーフミラー１と光学的倍率器２と光ポジシヨニ
ングセンサ５とを取り付けて位置信号を出力する
ことも出来る。また光位置検出器として、光ポジ
シヨニングセンサ以外の受光素子を使用してもよ
く、単体にはフオトトランジスタの前にスリツト
を配置したものでもよい。

第２の実施例として、本検出方式を光ビーム測
定装置に応用したものを第５図により説明する。

この測定対象は、光学的ピツクアツプより出力
される光ビームの特性であり、光学的ピツクアツ
プの良否の判定等に使用する。

その構成は、光学的ピツクアツプ４、ピツクア
ツプ制御部１７、ハーフミラー１、光学的倍率器
２、信号検出手段であるテレビカメラ３９および
表示器１９、モニタ３７、オシロスコープ３８、
主制御部２０からなる。表示器１９、モニタ３
７、オシロスコープ３８は必要に応じて構成す
る。テレビカメラ３９は、受光面３２、テレビカ
メラ電源３３、水平同期制御器３４、垂直同期制
御器３５、映像信号変換器３６により構成され
る。

光学的ピツクアツプ４から出力される光ビーム
は、ハーフミラー１の反射膜に絞り込まれ、その
反射光を光学的ピツクアツプ４の自動焦点制御に
使用する。

一方、ハーフミラー１を透過した光ビームは、
光学的倍率器２により所定の倍率でテレビカメラ
３９の受光面に像を結ぶ。この結ばれた像を、映
像信号変換器３６により映像信号に変換する。こ
うして得られた映像信号、すなわち、光学的ピツ
クアツプ４から出力される光ビームのハーフミラ
ー１上での像をモニタ３７で形状測定し、オシロ
スコープ３８でパワー分布を測定する。この信号
は主制御部２０に導かれ光ビーム良否の判定を行
う。

光学的倍率器２は収差の小さいものを用い、そ
の対物レンズは光学的ピツクアツプの絞り込みレ
ンズよりNAの大きいものを選ぶ。また、ハーフ
ミラー１の反射率を所定の値とすることにより、
光学的ピツクアツプの自動焦点制御をそのまま用
いる事が出来る。ハーフミラー１は、光学的倍率
器２の焦点位置に設定する。この方法により、光
学的ピツクアツプから出力される光ビームの特性
が測定出来るだけでなく、光学的ピツクアツプ
と、その自動焦点制御を含めた実使用状態での光
ビームの特性が測定できる。また、上記自動焦点
制御に電気的オフセツトを与え、光ビームの絞り
込み位置を変化させれば、絞り込まれる光ビーム
の過程も測定することが出来る。

本実施例では光学的倍率器４の倍率を400倍と
し、テレビカメラには全固体カメラを使用し、そ
の測定精度を計測した結果、最小分解能0.1μmの
結果を得た。従つて、0.1μmの分解能で光ビーム
の特性を測定する事が出来る。また振動に強く、
光学的倍率器を簡単なスタンドに固定するだけで
よく、測定装置全体を大幅に小形化する事が出来
る。

このように、本発明はサブミクロン以下の高精
度で位置検出ができるため、高精度の要求される
半導体製造プロセスにも適用できる。

すなわち、半導体集積回路の高集積化が進み現
在では、半導体集積回路の作製にあたつて、数
μm離れた２つの線が完全に識別できなければ電
子回路として役に立たなくなつている。

半導体集積回路は、深さや方向で異なつた模様
を必要とするため、回路パターンをシリコン基板
に転写する場合、ただ１度の転写では総ての回路
パターンを転写できない。そこで回路パターンを
複数の工程に分解して、それぞれの工程ごとの図
面を作成し、それらを重ね合わせて元の回路パタ
ーンに復元する。各工程の図面をシリコン基板に
転写するには、回路として不必要な部分を覆つた
マスクを作る必要がある。そこでガラス基板上に
ホトレジスト膜（感光性樹脂）を塗布し、露光現
像し、これをシリコン基板に転写するさいのマス
クとする。このようにして作製した各工程ごとの
マスクを重ね合わせるわけであるが、前述のよう
に配線間隔は数μmであるので、このマスクの重
ね合わせもサブミクロン以下の高精度が要求され
る。

本発明はサブミクロン以下の高精度な分解能を
有するため、上記のマスク重ね合わせにも適用で
きる。この場合、各マスクには、基準位置合わせ
のために、予め目印をつけておく。光源１０をマ
スクに搭載し、そのマスクの目印と前工程のマス
クの目印とを一致させれば、マスク重ね合わせが
できる。マスク重ね合わせは二次元的に行う必要
があるので、目印の点を２箇所に設けるか又は、
十の如き形状にする。

なお、ロボツトのマニピユレータに光源１０を
搭載してマニピユレータの位置制御を行うことも
できる。この場合、本発明では二次元的な位置し
か検出できないが、もし距離を検出したければ、
光源１０を２個用いればよい。

その他、高精度位置決めを要するNC等への高
精度位置検出として応用できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、高分解
能で再現性も良く、しかも調整の不用な光学的位
置検出装置が得られ、性能の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光学的位置検出装置の系統を示
す図、第２図は光ポジシヨニングセンサの信号検
出の概念を示す図、第３図はハーフミラーの構造
の一実施例を示す図、第４図は本発明の第１の実
施例の系統を示す図、第５図は本発明の第２の実
施例の系統を示す図である。 １ａ：反射膜面、１ｂ：基板面、１：ハーフミ
ラー、２：光学的倍率器、３：位置検出部、４：
光学的ピツクアツプ、５：光ポジシヨニングセン
サ、１０：光源、１７：ピツクアツプ制御部、３
２：受光面、３４：水平同期制御器、３５：垂直
同期制御器、３６：映像信号変換器、３７：モニ
タ、３８：オシロスコープ、３９：テレビカメ
ラ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被測定物を搭載する取付台に固定された光学
   的ピツクアツプ手段と、該光学的ピツクアツプ手
   段からの光ビームの像を拡大する手段と、該光学
   的ピツクアツプ手段内の絞り込みレンズの焦点位
   置に設けられたハーフミラーと、上記光ビーム像
   拡大手段に関して上記ハーフミラーと共役な位置
   に設けられ、かつ上記光ビーム像拡大手段との位
   置関係が一定にされた光信号変換手段と、上記ハ
   ーフミラーからの反射光を受けて焦点位置のずれ
   を検出し、該焦点位置のずれに基づいて上記絞り
   込みレンズの位置を制御して、上記光ビームの焦
   点位置を変化させる光ビーム焦点位置制御手段と
   を有することを特徴とする光学的位置検出装置。