JPH0769143B2 - 光ヘテロダインエッジセンサー及びスケール精度測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は微細パターンのエッジを検出するエッジセンサ
ー及びスケール精度測定装置、特にそのエッジ検出機構
の改良に関するものである。

［従来の技術］ 半導体素子、あるいは精密測定器などの分野では基板上
に微細パターンを形成する技術が必要不可欠となってお
り、さらにその製造精度を上回る高い精度でのパターン
測定を行うことが要求されている。

例えば精密測定器あるいはNC工作機械などには高精度の
リニアエンコーダが用いられており、該リニアエンコー
ダとしてはブラシ接点型、光電形、静電容量型等が周知
であるが、いずれも長尺状のスケールが必要となる。

そして、光電型エンコーダでは長尺状スケールとして、
例えばガラス基板上にクロムよりなる目盛りパターンが
形成されたものを用いる。

ここで、該スケールの精度を測定するためスケール精度
測定装置が使用され、目盛り読み取り器としてガラス基
板よりクロム目盛りが立ち上がるエッジを検出するエッ
ジセンサーか、あるいは目盛り線の中心位置を検出する
センサーが必要となる。

従来、エッジセンサーとしては、スリット走査型、レー
ザー走査型などがあり、目盛り線の中心位置検出センサ
ーとしては光電顕微鏡があった。

スリット走査型エッジセンサーは、第５図（Ａ）にも示
すように、目盛りパターン10を光学的に拡大し、その像
面を受光スリット12で矢印Ｉ方向に走査し図示を省略し
たフォトメーターで明暗を検出する。

この結果、同図（Ｂ）に示すように受光スリット12を透
過する光量が、目盛りパターン10上を走査するとき低下
し、その光量が一定のレベルIIに達したときにパターン
エッジであると判別するのである。

また、光電顕微鏡としては、第６図に示すようなものが
ある。

同図において、センサーは落射照明用ランプ14と、対物
レンズ光学系16と、スプリッタ18,20と、振動スリット2
2と、該振動スリット22を振動させる振動子24と、受光
素子26と、よりなる。

そして、落射照明用ランプ14より出光した光はスプリッ
タ18に反射され、対物レンズ光学系16を介して目盛りパ
ターン10の形成されたスケール28上に照射される。

スケール28よりの反射光は、再度対物レンズ光学系16,
スプリッタ18,20を介して振動スリット22上に結像し、
スリット透過光は光電素子で受光され電気信号に変換さ
れる。

その光電素子26の出力信号変化が第７図に示される。

同図（Ａ）に示すように、目盛りパターン10の像がスリ
ット22の振幅から外れているときは信号を発生しない
が、像がスリット振幅内に入ってくると（Ｂ）に示すよ
うにスリット振動周波数と等しい周波数の信号が発生す
る。

目盛りパターンの像がスリットの振幅中心に近づいてく
ると信号の振幅が増大し、やがて（Ｃ）の位置で最大と
なり、その後は（Ｄ）のように一方のピークがへこみ始
める。

これは振動スリット22が目盛りパターン10両側にまで走
査していることを意味する。

そして、さらに目盛りパターンの像がスリット振幅中心
に近づいて行くとピークのへこみが次第に深くなって行
き、（Ｅ）に示す両者が一致し周波数が２倍となった時
点で目盛りパターンの像がスリット中心に位置したこと
となる。

従ってこの周波数が２倍となった（Ｅ）に示す信号を検
出することによりパターンエッジを測定することができ
るのである。

しかしながら、このような光電顕微鏡あるいはスリット
走査型のエッジセンサーでは、いずれも光学像を利用し
ているので落射照明光の影響を直接受け、しかもコント
ラストの低い目盛りパターンの測定には不向きである。

また、スリット走査型では透過率の微妙な変化を検出
し、また光電顕微鏡型ではスリット自体の振動を行わな
ければならず、いずれも測定速度は100〜200μm/secと
非常に遅いものであった。

一方、レーザー走査型のエッジセンサーは、第８図にも
示すようにレーザー光を被測定物であるスケール26上に
集光する対物レンズ16と、該スケール26から乱反射する
散乱光を検出する光電素子26a,26bを有する。

そして、目盛りパターン10のエッジ部分にレーザー光が
照射されると、該部分よりレーザー光が乱反射し、光電
素子26a,26bにより検出される。

この状態は第９図に示されており、同図（Ａ）は光電素
子26aの検出信号、同図（Ｂ）は光電素子26bの検出信号
である。

従って、両光電素子の検出信号のピーク値を求めること
によりエッジを検出することができる。

このようなレーザー走査型エッジセンサーによれば、落
射照明光の影響は受けず、しかも被測定物のコントラス
トにも影響を受けないという利点を有する。

［発明が解決しようとする課題］ 従来技術の問題点 ところが、このような各種利点を有するレーザー走査型
エッジセンサーでも測定速度が非常に遅いという点に変
わりはなかった。

すなわち、レーザービームは、振動ミラー30によって微
小な振れ角で振動が与えられている。

これは信号処理の段階で同期検波を行うためであり、こ
の振動速度が律速段階となり測定スピードがあげられな
かったのである。

従って、このようなレーザー走査型エッジセンサーでは
数十〜100μm/secでの測定速度しかなく、例えばリニア
エンコーダの1000mmにも及び長尺スケールを精密測定す
るには大変な時間が要求され、またその長時間にわたる
測定中に測定環境が変化し測定精度にも悪影響を与えて
いた。

発明の目的 本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであ
り、その目的は高精度でしかも測定速度の速いエッジセ
ンサー及びスケール精度測定装置を提供することにあ
る。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するために本発明にかかる光ヘテロダイ
ンエッジセンサーは、レーザー発振器と、音響光学素子
と、ビームスプリッタと、対物レンズと、２個の光電変
換素子と、位相計と、よりなる。

そして、レーザー発振器は、レーザー光を出射する。

音響光学素子は、前記レーザー光を周波数の異なる２種
のレーザービームに変調し、かつ２方向に偏向する。

ビームスプリッタは、前記２種の変調レーザービームを
それぞれ参照レーザービーム及び照射レーザービームと
して２方向分離する。

対物レンズは、前記照射レーザービームに含まれる前記
２種のレーザービームがそれぞれ被測定物上で所定距離
離隔した２個のビームスポットを形成するよう該被測定
物上に照射する。

参照側光電変換素子は、前記参照レーザービームを受光
し、参照信号とする。

測定側光電変換素子は、前記照射レーザービームの被測
定物よりの反射ビームを受光し、測定信号とする。

位相計は、前記参照信号と測定信号の位相差を検出し、
エッジ信号とする。

また、被測定物表面に形成される２のビームスポット
は、重ならないように隣接し、そのスポット域幅が目盛
り線幅以下であることが好適である。

本発明にかかるスケール精度測定装置は、スケールを相
対駆動する駆動系と、前記スケールの位置を検出する位
置検出系と、前記スケール上の目盛りを検出する目盛り
検出系と、を含む。

そして、目盛り検出系は、前記光ヘテロダインエッジセ
ンサーよりなることを特徴とする。

［作用］ 本発明にかかる光ヘテロダインエッジセンサーは前述し
た手段を有するので、照射レーザービームにより被測定
物上に形成された２個のビームスポットよりの反射ビー
ムは、該被測定物表面の一平坦面部分から反射されたも
のであれば、参照ビームとは一定の初期位相差を生じて
いるのみである。

これに対し、前記照射ビームにより形成される２個のビ
ームスポットが段差を有して形成されると、反射ビーム
は初期位相に段差等による位相変化分が加わり、光電変
換されて得られる測定信号にも位相変化が生じる。

しかしながら、参照ビームは初期位置を持ったままであ
る。

板って、参照信号と測定信号を比較し、両者に初期位相
差に加えて位相変化を生じた時点が段差すなわちエッジ
であり、両ビームの位相差検出によりエッジ検出を行う
ことができる。

このエッジ検出の際には、相互に異なる周波数の参照信
号と測定信号とを用いることにより、位相測定のダイナ
ミックレンジに対する制限を実質的に無くすことで、エ
ッジの検出を正確に行える。

ここで、従来のレーザー走査型エッジセンサーのように
ビーム自体の振動走査は必要なく、きわめて高速でエッ
ジ検出を行うことができる。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明す
る。

第一図は、本発明の一実施例にかかる光ヘテロダインエ
ッジセンサーをスケールの目盛り精度を測定するスケー
ル精度測定装置として使用した状態を示しており、前記
従来例と対応する部分には符号100を加えて示し説明を
省略する。

本実施例において、スケール精度測定装置は、スケール
126の駆動系150と、該スケール126の位置検出系152と、
目盛り検出系154と、よりなる。

そして、駆動系150は、図示を省略した粗動送り機構
と、微小送り機構よりなり、該微小送り機構は、ピエゾ
圧電素子156と、該圧電素子156に駆動電圧を供給する圧
電素子ドライバー158と、駆動制御器160と、を含む。

そして、被測定物であるスケール128は駆動制御器160の
制御に基づきピエゾ圧電素子156により矢印Ｉ方向に駆
動される。

また、位置検出系152は、光波干渉計162と、増幅器164
と、カウンター166と、よりなる。

そして、干渉計162により検出されたスケール128の移動
信号は増幅器164により増幅され、カウンター166により
カウントされる。

本発明において特徴的なことは、目盛り検出系154に光
ヘテロダインエッジセンサーを用いたことである。

光ヘテロダイン干渉法は近似する周波数を持つ参照光及
び測定光の干渉を生じさせるものであり、従来この原理
を用いて表面粗さ測定装置を開発した例がある（特開昭
59−20849）。

しかしながら、表面粗さ測定装置では対象とする凹凸が
２〜３μｍであり本発明が目的とする目盛りなどの膜厚
（0.01〜0.5μｍ）とはオーダーが異なり、光ヘテロダ
イン干渉法をエッジセンサーとして使用することはまっ
たく考えられていなかった。

すなわち、目盛りの膜厚程度の領域では、目盛りエッジ
部分において、その段差と焦点位置などによって光の複
素振幅分布が複雑に変化し、さらにスケール目盛り（例
えばクロム）などの光の波長オーダーの厚さの金属面に
光が入射したときには光が厚さ数μｍ以上の金属単体に
入射したときとは異なり、光が金属内部に浸入する深さ
の度合が著しく大きくなり、しかもこれは金属及び合金
の種類によっても異なってくるために、エッジにおいて
生ずる位相は、段差による光路差分の位相に直接には比
例しない。

従って、このような膜厚では位相差は段差による光路差
に比例せず、光ヘテロダイン干渉法をエッジ検出に用い
ることは不可能と考えられていたのである。

しかしながら、本発明者は前述したような薄膜に対して
であっても、段差において比例はしないものの位相差出
力を得ることが可能である点を発見し、光ヘテロダイン
干渉法により基板上に形成された薄膜目盛りの段差を直
接検出する光ヘテロダインエッジセンサーを開発したの
である。

本実施例において、光ヘテロダインエッセンサー154
は、レーザー発振器168と、ブラッグセル（音響光学素
子）170と、ビームスプリッタ172と、参照側光電変換素
子174,測定側光電変換素子176と、位相計178と、を含
む。

そして、レーザー発振器168より出光したレーザー光は
所定の光学系を経てブラッグセル170に入射する。

該ブラッグセル170は、制御器180の制御に基づくブラッ
グセルドライバー182により駆動電圧を受ける。

ここで、ブラッグセル170は、圧電トランスデューサー
により発生させた超音波により内部の媒質中に超音波と
同波長の密度波を作り出し、その密度波が屈折率の周期
的変化をもたらし入射してきた光に対し位相格子の役割
を果たし該光を回折すると共に、運動密度波面により光
が反射されるのでドップラー効果が生じ、光の周波数を
超音波の周波数だけ変化させるという二つの機能を合わ
せ持つ。

そして、ブラッグセルドライバー182は内部に搬送用高
周波（数十〜数百MHz）発生回路を内蔵しており、外部
からもう一つの周波数（50KHz〜1MHz程度）を取り込ん
で二種類の周波数をミキシングしたものを駆動源として
ブラッグセル170に印加する。

本実施例においては、例えばブラッグセル170にはfc＋f
m（70MHz＋80KHz）と、fc−fm（70KHz−80KHz）の二つ
の周波数をかけている。

そして、前記２本のレーザービームは所定の光学系を経
てビームスプリッタ172にいたる。

該ビームスプリッタ172は入射したレーザービームをさ
らに２方向に分割し、一方はビームスプリッタ172によ
り反射され照射レーザービームとして対物レンズ184を
介してスケール128上に照射される。

そして、該スケールからの反射ビームは再度対物レンズ
184及びビームスプリッタ172を介して測定側光電変換素
子176に入光し、測定信号s1に変換される。

一方、ビームスプリッタ172により分割された他方は該
ビームスプリッタ172を透過し参照レーザービームとし
て参照側光電変換素子178に入光し、参照信号s2に変換
される。

両信号s1,s2は増幅器186により増幅され、位相計178に
入力される。

そして両信号の位相差が検出され、エッジパルス回路18
8によりエッジ信号s3が出力される。

該エッジ信号s3は前記カウンター166の出力と共にプリ
ンター190に出力され、エッジ位置がプリントアウトさ
れる。

第２図には本実施例の光学系の作用がより詳細に示され
ている。

同図より明らかなように、レーザー発振器168はHe−Ne
レーザー光源168aと、ビームエキスパンダー168bとより
なり、基準軸１に対し微小角ずらして配置されている。

そして、該レーザー発振器168より出射されたレーザー
光はシリンドリカルレンズ200及び球面レンズ202を介し
てブラッグセル170に入光される。

ブラッグセル170では前述したように周波数が変化した
２本のレーザービームL1及びL2が形成され、それぞれ回
折しほぼ基準軸１に沿って、球面レンズ204を介してス
トッパ206のスリット206aより出射する。

なお、ブラッグセルによって回折されなかったレーザー
光成分L3は基準軸１よりずれままブラッグセル170より
出射しストッパ206により吸収される。

前記スリット206aより出射したレーザービームL1,L2
は、微小な回折角の差を有した状態でシリンドリカルレ
ンズ208を介してビームスプリッタ172に入光する。

該ビームスプリッタ172では前記レーザービームL1,L2の
一部はそのまま通過して、参照例光電変換素子174に入
光し参照信号に変換される。

一方、ビームスプリッタ172によりスケール128方向に反
射されたレーザービームL1,L2は対物レンズ184を介して
スケール128上にスポットを形成する。

第３図にも示されるように、レーザービームL1,L2の微
小な回折角差に対応してそれぞれスポット212a,212bが
形成され、それぞれの直径は約１μｍであり、両スポッ
トは隣接している。

従って、両スポットが段差を有して位置すれば、その反
射ビーム間に光路差（位相差）を生じ、また光とガラ
ス、光と金属との量子力学的相互作用の違いを生じ、さ
らにその他光学的諸要因が付加されて位相が変化するこ
ととなる。

そして、両スポット位置からの反射ビームは再度対物レ
ンズ184、ビームスプリッタ172を介して測定側光電変換
素子176に入光し、測定信号に変換される。

本実施例にかかる測定装置の目盛り測定系は以上のよう
に構成され、次にその作用について第４図を参照しつつ
説明する。

まず、同図（Ａ）に示すようにスケール128上を矢印Ｉ
方向にスポット走査すると、各光電変換素子からは同図
（Ｂ）に示すような信号が得られる。

ここで、実線は参照側光電変換素子174からの参照信号s
2を、点線は測定側光電変換素子176からの測定信号s1を
示す。

同図より明らかなように、両スポット共に目盛り上ある
いは基板上にある場合には両者には初期位相差のみが存
在し、fc＋fmとfc−fmのビート周波数2fmを描くが、段
差部分ではさらに位相変化を生ずる。

すなわち、測定信号s1は目盛りより基板に移行する時点
で参照信号s2に対し位相進みを生じ、基板から目盛りに
移行する時点で位相遅れを生じている。

なお、位相進み、位相遅れば光学系のＺ軸方向の＋，−
の取り方、ピント位置で逆になる場合もある。

従って、位相計178により両信号s1,s2の位相差をとる
と、第４図（Ｃ）に示すように正負両側にそれぞれ段差
に対応してピークを生じる。

そして、正負それぞれに設定されたスレッシュホールド
レベル＋SH,−SHに達した時点でエッジパルス回路188は
同図（Ｄ），（Ｅ）に示すようにエッジパルスを発生す
る。

このようにして得られた測定結果はエッジの位置信号と
共にプリンター190へ出力されることとなる。

以上のように構成された光ヘテロダインエッジセンサー
によれば、線幅２μｍ程度の目盛り精度を測定するのに
1mm/sec〜5mm/sec程度の測定速度を得られ、従来のエッ
ジセンサーに比較し10〜100倍の測定速度となる。

しかも、測定速度1mm/secにおいて、繰り返し精度σ＝
0.01μｍを得ることができる。

なお、測定時間を短くすることにより、測定中の環境要
因変化が少なくなり一定条件下での測定ができると共
に、測定精度を悪化させる熱膨張などによる誤差を少な
くすることができる。

［発明の効果］ 本発明は前述したように構成されているので、次に記載
する効果を奏する。

請求項（１）に記載される光ヘテロダインエッジセンサ
ーにおいては、光ヘテロダイン干渉法により直接被測定
物のエッジを検出することとしているので、従来のよう
に振動ミラーなどを用いてビームを振動させる必要がな
くなり、高速度でのエッジ検出を行うことができる。

このエッジ検出の際には、相互に異なる周波数の参照信
号と測定信号とを用いることにより、位相測定のダイナ
ミックレンジに対する制限を実質的に無くすことで、エ
ッジの検出を正確に行なうことができる。

請求項（２）に記載される光ヘテロダインエッジセンサ
ーにおいては、ビームスポットをそれぞれ重ならないよ
うに隣接させ、そのスポット域幅を目盛り線幅以下とし
たので、目盛りエッジを正確に測定することができる。

請求項（３）に記載されるスケール精度測定装置におい
ては、目盛り検出系として光ヘテロダインエッジセンサ
ーを用いたので、エッジ検出を正確に行なうことができ
ると共に、長尺状のスケールの精度も短時間で精度測定
することができ、環境変動の影響を受けにくくなり測定
精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例にかかる光ヘテロダインエ
ッジセンサーを用いたスケール精度測定装置の説明図、 第２図は、第１図に示したエッジセンサーの光学系の説
明図、 第３図は、第１図に示したエッジセンサーのビームスポ
ットの説明図、 第４図は、第１図に示したエッジセンサーの信号処理状
態の説明図、 第５図は、従来のスリット走査型エッジセンサーの説明
図、 第６図及び第７図は、従来の光電顕微鏡の説明図、 第８図及び第９図は、従来のレーザー走査型エッジセン
サーの説明図である。 10,110……目盛りパターン 28,128……スケール 150……駆動系 152……位置検出系 154……目盛り検出系 168……レーザー発振器 170……ブラッグセル（音響光学素子） 172……ビームスプリッタ 174……参照側光電変換素子 176……測定側光電変換素子 178……位相計

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基盤上に形成された薄膜目盛りの段差を検
   出するエッジセンサーにおいて、 レーザー光を出射するレーザー発振器と、 前記レーザー光を周波数の異なる２種のレーザービーム
   に変調しかつ２方向に偏向する音響光学素子と、 前記２種の変調レーザービームをそれぞれ参照レーザー
   ビーム及び照射レーザービーとして２方向分離するビー
   ムスピリッタと、 該照射レーザービームに含まれる前記２種のレーザービ
   ームがそれぞれ被測定物上で所定距離離隔した２個のビ
   ームスポットを形成するよう該被測定物上に照射する対
   物レンズと、 前記参照レーザービームを受光し、参照信号とする参照
   側光電変換素子と、 前記照射レーザービームの被測定物よりの反射ビームを
   受光し、測定信号とする測定側光電変換素子と、 前記参照信号と測定信号の位相差を検出し、エッジ信号
   とする位相計と、 を備えることを特徴とする光ヘテロダインエッジセンサ
   ー。
2. 【請求項２】請求項（１）に記載のセンサーにおいて、
   被測定物表面に形成される２のビームスポットは、それ
   ぞれ重ならないように隣接し、スポット域幅が目盛り線
   幅以下であることを特徴とする光ヘテロダインエッジセ
   ンサー。
3. 【請求項３】スケールを相対駆動する駆動系と、 前記スケールの位置を検出する位置検出系と、 前記スケール上の目盛り検出系と、を含むスケール精度
   検出系と、を含むスケール測定装置において、 前記目盛り検出系は、 レーザー光を出射するレーザー発振器と、 前記レーザー光を周波数の異なる２種のレーザービーム
   に変調しかつ２方向に偏向する音響光学素子と、 前記２種の変調レーザービームをそれぞれ参照レーザー
   ビーム及び照射レーザービーとして２方向分離するビー
   ムスピリッタと、 該照射レーザービームに含まれる前記２種のレーザービ
   ームがそれぞれ被測定物上で所定距離離隔した２個のビ
   ームスポットを形成するよう該被測定物上に照射する対
   物レンズと、 前記参照レーザービームを受光し、参照信号とする参照
   側光電交換素子と、 前記照射レーザービームの被測定物側よりの反射ビーム
   を受光し、測定信号とする測定側光電変換素子と、 前記参照信号と測定信号の位相差を検出し、エッジ信号
   とする位相計と、 を備える光ヘテロダインエッジセンサーよりなることを
   特徴とするスケール精度測定装置。