JPH0942928A - 走査型寸法測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 安価で小型の、２次元寸法の検出できる走査
型寸法測定装置を提供する。 【解決手段】 半導レーザ１００からのレーザビーム１
１０を、２次元ガルバノミラー１０１で２次元に偏向
し、被測定物１１２に照射し、光位置検出素子（ＰＳ
Ｄ）１０３上の投影像１１３より被測定物１１２の各部
の寸法を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビームによ
り被測定物を走査して寸法を測定する装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】図１５は、例えば特開平６−３１１６号
公報に従来例として説明されている、従来の走査型寸法
測定装置の構成を示す図である。図１５において、３０
０〜３０５は、“走査型寸法測定装置”を構成する素子
で、３００は半導体レーザの発光手段、３０１は前レン
ズ、３０２ポリゴンミラーの走査ミラー、３０３はコリ
メータレンズ、３０４は集光レンズ、３０５は受光素子
である。３０６はレーザ光、３０７は被測定物である。

【０００３】発光手段３００から前ミラー３０１を経て
走査ミラー２に送られたレーザ光３０６は、走査ミラー
２の回転とコリメータレンズ３の屈折とによって、コリ
メータレンズ３０３の光軸と平行の走査光とされる。

【０００４】なお、走査ミラー３０２における反射面が
焦点となるように配設されるコリメータレンズ３０３と
しては、一般にｆθレンズと呼ばれるものが用いられ、
走査ミラー２を駆動するモータの等速回転によって、光
軸と直交する方向に等速で走査される走査光が得られる
ようになっている。

【０００５】前述の構成において、コリメータレンズ３
０３と集光レンズ３０４との間に被測定物３０７を配置
すれば、被測定物３０７の寸法に応じた時間だけ受光素
子３０５への走査光の入射が遮られることになるため
に、被測定物３０７で走査光が遮られた時間と走査速度
との積から、被測定物３０７の寸法Ｄを測定できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来例では、ポ
リゴンミラーか、あるいは高価なｆθレンズを使用しな
ければならない。またポリゴンミラーについても正確に
等速回転駆動する必要があるため、サーボモータとその
駆動回路の工夫によりｆθレンズと同様装置が高価にな
るという問題がある。

【０００７】また、従来例ではレーザ光により１次元走
査しているので、そのままでは１次元の寸法しか測定で
きない。そこで、例えば穴の形状を測定するときは、被
測定物を正確に移動させる手段を別途設ける必要があ
る。この移動を自動的に行うには、高価で大型のＸ−Ｙ
ステージを用意しなければならず、全システムとしては
高価でかつ大型の装置となるという問題がある。

【０００８】本発明は、このような問題を解消するため
になされたもので、安価で小型の走査型寸法測定装置を
提供することを第１の目的とし、２次元寸法の測定がで
きる走査型測定装置を提供することを第２の目的とする
ものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記第１の目的を達成す
るため、本発明では、走査型寸法測定装置を第（１）〜
（４）のとおり構成し、第１，第２の目的を達成するた
め走査型寸法測定装置を次の（３），（４）のとおりに
構成する。

【００１０】（１）レザビーム発生手段と、このレーザ
ービーム発生手段からレーザービームを受けて偏向する
ガルバノミラーと、このガルバノミラーからのレーザー
ビームを受けてその入射位置を検出する光入射位置検出
手段とを備え、前記ガルバノミラーと前記光入射位置検
出手段との間に被測定物を配置しこの被測定物の寸法を
測定する走査型寸法測定装置。

【００１１】（２）ガルバノミラーで偏向されたレーザ
ービームを平行光線とするコリメータレンズを備えた前
記（１）記載の走査型寸法測定装置。

【００１２】（３）ガルバノミラーは２次偏向のできる
２次元ガルバノミラーであり、光入射位置検出手段は２
次元の光入射位置検出のできる２次元光入射位置検出手
段である前記（１）または（２）記載の走査型寸法測定
装置。

【００１３】（４）ガルバノミラーは、半導体基板に、
可動板とこの可動板を前記半導体基板に対し揺動自在に
軸支するトーションバーとを一体に形成し、前記可動板
の周縁部に駆動コイルを設け、前記可動板上にミラーを
設け、前記駆動コイルに静磁界を与える磁界発生手段を
設けて、前記駆動コイルに電流を流すことにより前記ミ
ラーを駆動するものである前記（１）ないし（３）のい
ずれかに記載の走査型寸法測定装置。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明をその実施の形態に
より詳しく説明する。実施例による説明に先立って、本
発明で用いることができる主要素子について説明する。

【００１５】本発明では、走査ミラーにガルバノミラー
を用い、光（スポット）検出素子にＰＳＤ(Position Se
nsitive Device) を用いる。本発明に好適なガルバノミ
ラーとＰＳＤを関連技術例として順次説明する。

【００１６】（ガルバノミラー）本出願人は、半導体製
造プロセスを利用して製造する、ガルバノメータの動作
原理で動作する、ガルバノミラーに関し、特願平５−３
２０５２４号，特願平６−３２７３６９号，特願平７−
１３８０８１号等の提案をしている。

【００１７】各提案の内容を簡単に説明すると、前記特
願平５−３２０５２４号の内容は、半導体基板に、可動
板とこの可動板を前記半導体基板に対し揺動自在に軸支
するトーションバーとを一体に形成し、前記可動板の周
縁部に駆動コイルを設け、前記可動板上にミラーを設
け、前記駆動コイルに静磁界を与える磁界発生手段を設
けて、前記駆動コイルに電流を流すことにより前記ミラ
ーを駆動するガルバノミラーであり、この種の電磁アク
チュエータの基本形である。

【００１８】また、前記特願平６−３２７３６９号の内
容は、前述のガルバノミラー等の電磁アクチュエータに
おいて、トーションバー部分の配線パターンがトーショ
ンバーの捻れ運動の繰り返しにより断線するのを防止す
るため、トーションバー自体を導電性として電気接続を
行うものである。更に、特願平７−１３８０８１号の内
容は、この電磁アクチュエータの衝撃対策にかかるもの
で、可動板の少なくとも片面に対向して、衝撃を受けた
際の可動板の過度の変位を阻止するストッパを設けるも
のである。

【００１９】前述のように、特願平５−３２０５２４号
の内容は、基本型なので、その実施例１〜３を関連技術
例１〜３として以下に説明する。

【００２０】（関連技術例１）図３，図４は関連技術例
１である“ガルバノミラー”の構成を示す図である。本
関連技術例は、後述の関連技術例２，関連技術例３と同
様に、検流計（ガルバノメーター）と同じ原理で動作す
るものである。なお、図３，図４で判り易くするため大
きさを誇張して示している。後述の図５，図７，図８，
図９，図１０についても同様である。

【００２１】図３及び図４において、ガルバノミラー１
は、半導体基板であるシリコン基板２の上下面に、それ
ぞれ例えばホウケイ酸ガラス等からなる上側及び下側絶
縁基板としての平板状の上側及び下側ガラス基板３，４
を接合した３層構造となっている。前記上側ガラス基板
３は、後述する可動板５上部分を開放するようシリコン
基板２の左右端（図３における）に積層されている。

【００２２】前記シリコン基板２には、平板状の可動板
５と、この可動板５の中心位置でシリコン基板２に対し
て基板上下方向に揺動可能に可動板５を軸支するトーシ
ョンバー６とが半導体製造プロセスにおける異方性エッ
チングによって一体形成されている。従って、可動板５
及びトーションバー６もシリコン基板２と同一材料から
なっている。前記可動板５の上面周縁部には、可動板５
駆動用の駆動電流と、この駆動電流に重畳する変位角検
出用の検出用電流とを流すための銅薄膜からなる平面コ
イル７が、絶縁被膜で覆われて設けられている。前記検
出用電流は、下側ガラス基板４に後述するように設けら
れる検出コイル１２Ａ，１２Ｂとの相互インダクタンス
に基づいて可動板５の変位を検出するためのものであ
る。

【００２３】ここで、コイルは抵抗分によってジュール
熱損失があり、抵抗の大きな薄膜コイルを平面コイル７
として高密度に実装すると発熱により駆動力が制限され
ることから、関連技術例では、公知の電解メッキによる
電鋳コイル法によって前記平面コイル７を形成してあ
る。電鋳コイル法は、基板上にスパッタで薄いニッケル
層を形成し、このニッケル層の上に銅電解めっきを行っ
て銅層を形成し、コイルに相当する部分を除いて銅層及
びニッケル層を除去することで、銅層とニッケル層から
なる薄膜の平面コイルを形成するもので、薄膜コイルを
低抵抗で高密度に実装できる特徴があり、マイクロ磁気
デバイスの小型化，薄型化に有効である。また、可動板
５の平面コイル７で囲まれた上面中央部には、ミラー８
がアルミニウム蒸着により形成されている。更に、シリ
コン基板２のトーションバー６の側方上面には、平面コ
イル７とトーションバー６の部分を介して電気的に接続
する一対の電極端子９，９が設けられており、この電極
端子９，９は、シリコン基板２に電鋳コイル法による平
面コイル７と同時に形成される。

【００２４】上側及び下側ガラス基板３，４の左右側
（図３における）には、前記トーションバー６の軸方向
と平行な可動板５の対辺の平面コイル７部分に磁界を作
用させる、互いに対をなす円形状の永久磁石１０Ａ，１
０Ｂと１１Ａ，１１Ｂが設けられている。上下の互いに
対をなす各３個づつの永久磁石１０Ａ，１０Ｂは、上下
の極性が同じとなるよう、例えば図４に示すように、下
側がＮ極、上側がＳ極となるよう設けられている。ま
た、他方の各３個づつの永久磁石１１Ａ，１１Ｂも、上
下の極性が同じとなるよう、例えば図４に示すように、
下側がＳ極、上側がＮ極となるよう設けられている。そ
して、上側ガラス基板３側の永久磁石１０Ａと１１Ａ及
び下側ガラス基板４側の永久磁石１０Ｂと１１Ｂは、図
４からも判るように、互いに上下の極性が反対となるよ
うに設けられる。

【００２５】また、前述したように、下側ガラス基板４
の下面には、平面コイル７と電磁結合可能に配置され各
端部がそれぞれ対をなす電極端子１３，１４に電気的に
接続された一対のコイル１２Ａ，１２Ｂがパターニング
されて設けられている（なお、図３では、模式的に１本
の破線で示したが実際は複数巻回してある）。検出コイ
ル１２Ａ，１２Ｂは、トーションバー６に対して対称位
置に配置されて可動板５の変位角を検出するもので、平
面コイル７に駆動電流に重畳して流す検出用電流に基づ
く平面コイル７と検出コイル１２Ａ，１２Ｂとの相互イ
ンダクタンスが、可動板５の角度変位により一方が接近
して増加し他方が離間して減少するよう変化するので、
例えば相互インダクタンスに基づいて出力される電圧信
号の変化を差動で検出することにより可動板５の変位角
をが検出できる。

【００２６】次に、動作について説明する。

【００２７】例えば、一方の電極端子９を＋極、他方の
電極端子９を一極として平面コイル７に電流を流す。可
動板５の両側では、永久磁石１０Ａと１０Ｂ、永久磁石
１１Ａと１１Ｂによって、図５の矢印Ｂで示すような可
動板５の平面に沿って平面コイル７を横切るような方向
に磁界が形成されており、この磁界中の平面コイル７に
電流が流れると、平面コイル７の電流密度と磁束密度に
応じて平面コイル７、言い換えれば可動板５の両端に、
電流・磁束密度・力のフレミングの左手の法則に従った
方向（図５の矢印Ｆで示す）に力Ｆが作用し、この力は
ローレンツ力から求められる。

【００２８】この力Ｆは、平面コイル７に流れる電流密
度をｉ、上下永久磁石による磁束密度をＢとすると、下
記の（１）の式で求められる。

【００２９】Ｆ＝ｉ×Ｂ……（１） 実際には、平面コイル７の巻数ｎと、力Ｆが働くコイル
長ｗ（図５中に示す）により異なり、下記の（２）の式
のようになる。

【００３０】Ｆ＝ｎｗ（ｉ×Ｂ）……（２） 一方、可動板５が回動することによりトーションバー６
が捩じられ、これによって発生するトーションバー６の
ばね反力Ｆ′と可動板５の変位角φの関係は、下記の
（３）式のようになる。

【００３１】 θ＝（Ｍｘ／ＧＩｐ）＝Ｆ′Ｌ／８．５×１０⁹ ｒ⁴ ）×ｌ₁ ……（３ ） ここで、Ｍｘは捩りモーメント、Ｇは横弾性係数、Ｉｐ
は極断面二次モーメントである。また、Ｌ、ｌ₁ 、ｒ
はそれぞれ、トーションバーの中心軸から力点までの距
離、トーションバーの長さ、トーションバーの半径であ
り、図３に示してある。

【００３２】そして、前記力Ｆとばね反力Ｆ′が釣り合
う位置まで可動板５が回動する。従って、（３）式の
Ｆ′に（２）式のＦを代入することにより、可動板５の
変位角φは平面コイル７に流れる電流ｉに比例すること
が判る。

【００３３】従って、平面コイル７に流す電流を制御す
ることにより、可動板５の変位角φを制御するとができ
るので、例えば、トーションバー６の軸に対して垂直な
面内においてミラー８の光軸方向を自由に制御でき、連
続的にその変位角を変化させれば、監視対象を１次元に
走査できる。

【００３４】このミラー８の光軸の変位角φを制御する
際に、平面コイル７に、駆動電流に重畳して駆動電流周
波数に比べて少なくとも１００倍以上の周波数で変位角
検出用の検出用電流を流す。すると、この検出用電流に
基づいて、平面コイル７と下側ガラス基板５に設けた検
出コイル１２Ａ，１２Ｂとの間の相互インダクタンスに
よる誘導電圧がそれぞれの検出コイル１２Ａ，１２Ｂに
発生する。検出コイル１２Ａ，１２Ｂに発生する各誘導
電圧は、可動板５、いい換えれば、ミラー８が水平位置
にある時には、検出コイル１２Ａ，１２Ｂと対応する平
面コイル７との距離が等しいことから等しくなりその差
は零である。可動板５が前述の駆動力でトーションバー
６を支軸として回動すると、一方の検出コイル１２Ａ
（または１２Ｂ）では接近して相互インダクタンスの増
加により誘導電圧は増大し、他方の検出コイル１２Ｂ
（又は１２Ａ）では離間して相互インダクタンスの減少
により誘導電圧は低下する。従って、検出コイル１２
Ａ，１２Ｂに発生する誘導電圧はミラー８の変位に応じ
て変化し、この誘導電圧を検出することで、ミラー８の
光軸変位角φを検出することができる。

【００３５】そして、例えば、図６に示すように、検出
コイル１２Ａ，１２Ｂの他に２つの抵抗を設けて構成し
たブリッジ回路に電源を接続し、検出コイル１２Ａと検
出コイル１２Ｂとの中点と２つの抵抗の中点との電圧を
入力とする差動増幅器を設けて構成した回路を用い、前
記両中点の電圧差に応じた差動増幅器の出力を、可動板
５の駆動系にフィートバックし、駆動電流を制御するよ
うにすれば、ミラー８の光軸変位角φを精度良く制御す
るとが可能である。

【００３６】以上説明したように、本関連技術例では、
ミラーを含む可動部を小型，軽量にできるので、ミラー
の光軸方向を高速で可変でき、監視対象を高速走査でき
る。また要部である可動板，トーションバー，ミラーを
同一半導体基板から半導体素子製造プロセスを利用して
形成できるので、量産によるコストダウンが期待でき
る。

【００３７】（関連技術例２）図７は関連技術例２であ
る“ガルバノミラー”の構成を示す図である。 前述し
た関連技術例１は、光軸方向を１次元で振るものである
が、この関連技術例は、２次元で振ることができるよう
に、トーションバーを互いに直交させて２つ設けた２軸
のガルバノミラーの例である。なお関連技術例１と同等
の要素には同一符号を付してある。

【００３８】図７において、本関連技術例のガルバノミ
ラー２１は、半導体基板であるシリコン基板２の上下面
に、それぞれホウケイ酸ガラス等からなる上側及び下側
絶縁基板としての上側及び下側ガラス基板３，４を、矢
印で示すように重ねて接合した３層構造とする。上側及
び下側ガラス基板３，４は、図に示すように、それぞれ
中央部に例えば超音波加工によって形成した方形状の凹
部３Ａ，４Ａを設けた構造であり、シリコン基板２に接
合する場合、上側ガラス基板３では、凹部３Ａを下側に
してシリコン基板２側に位置するようにして接合し、下
側ガラス基板４では、凹部４Ａを上側にして同じくシリ
コン基板２側に位置するようにして接合する。これによ
り、後述するミラー８を設ける可動板５の揺動空間を確
保すると共に密閉する構成としている。

【００３９】前記シリコン基板２には、枠状に形成され
た外側可動板５Ａと、この外側可動板５Ａの内側に軸支
される内側可動板５Ｂとからなる平板状の可動板５が設
けられている。前記外側可動板５Ａは、第１のトーショ
ンバー６Ａ，６Ａによってシリコン基板２に軸支され、
前記内側可動板５Ｂは、前記第１のトーションバー６
Ａ，６Ａとは軸方向が直交する第２のトーションバー６
Ｂ，６Ｂで外側可動板５Ａの内側に軸支されている。可
動板５Ａ，５Ｂと第１及び第２の各トーションバー６
Ａ，６Ｂは、シリコン基板２に異方性エッチングによる
一体形成されており、シリコン基板２と同一材料からな
っている。

【００４０】また、外側可動板５Ａの上面には、シリコ
ン基板２上面に形成した一対の外側電極端子９Ａ，９Ａ
に一方の第１のトーションバー６Ａの部分を介して両端
がそれぞれ電気的に接続する平面コイル７Ａ（図では模
式的に１本線で示すが可動板５Ａ上では複数の巻数とな
っている）が絶縁層で被覆されて設けられている。ま
た、内側可動板５Ｂの上面には、シリコン基板２に形成
された一対の内側電極端子９Ｂ，９Ｂに、一方の第２の
トーションバー６Ｂから外側可動板５Ａ部分を通り、第
１のトーションバー６Ａの他方側を介してそれぞれ電気
的に接続する平面コイル７Ｂ（図では模式的に１本線で
示すが外側可動板５Ａと同様に内側可動板５Ｂ上では複
数の巻数となっている）が絶縁層で被覆されて設けられ
ている。これら平面コイル７Ａ，７Ｂは関連技術例１と
同様に、前述した公知の電解めっきによる電鋳コイル法
によって形成してある。なお、前記外側及び内側電極端
子９Ａ，９Ｂは、シリコン基板２上に電鋳コイル法によ
り平面コイル７Ａ，７Ｂと同時に形成される。平面コイ
ル７Ｂで囲まれた内側可動板５Ｂの中央部には、アルミ
ニウム蒸着によりミラー８が形成されている。

【００４１】上側及び下側ガラス基板３，４には、２個
づつ対となったそれぞれ８個づつの円板状の永久磁石１
０Ａ〜１３Ａ，１０Ｂ〜１３Ｂが、図示のように配置さ
れている。上側ガラス基板３の互いに向かい合う永久磁
石１０Ａ，１１Ａは、下側ガラス基板４の永久磁石１０
Ｂ，１１Ｂとで外側可動板５Ａの平面コイル７Ａに磁界
を作用して平面コイル７Ａに流す駆動電流との相互作用
によって外側可動板５Ａを回動駆動させるためのもので
あり、また、上側ガラス基板３の互いに向かい合う永久
磁石１２Ａと１３Ａは、下側ガラス基板４の永久磁石１
２Ｂ，１３Ｂとで内側可動板５Ｂの平面コイル７Ｂに磁
界を作用させて平面コイル７Ｂに流す駆動電流との相互
作用によって内側可動板５Ｂを回動駆動させるためのも
のである。そして、互いに向き合った永久磁石１０Ａと
１１Ａは上下の極性が互いに反対、例えば永久磁石１０
Ａの上面がＳ極の時は永久磁石１１Ａの上面はＮ極とな
るように設けられ、しかも、その磁束が可動板５の平面
コイル部分に対して平行に横切るよう配置されている。
その他の互いに向き合っている永久磁石１２Ａと１３
Ａ、永久磁石１０Ｂと１１Ｂ及び永久磁石１２Ｂと１３
Ｂも同様である。更に、上下方向で対応する永久磁石１
０Ａと１０Ｂとの間の関係は、上下の極性は同じ、例え
ば永久磁石１０Ａの上面がＳ極の時は永久磁石１０Ｂの
上面もＳ極となるように設ける。その他の上下で対応し
ている永久磁石１１Ａと１１Ｂ、永久磁石１２Ａと１２
Ｂ及び永久磁石１３Ａと１３Ｂも同様であり、これによ
り、可動体５の両端部で互いに相反する方向に力が作用
するようになる。

【００４２】そして、下側ガラス基板４の下面には、前
述した平面コイル７Ａ，７Ｂとそれぞれ電磁結合可能に
配置された検出コイル１５Ａ，１５Ｂと１６Ａ，１６Ｂ
がパターニングされて設けられている。検出コイル１５
Ａ，１５Ｂは、第１のトーションバー６Ａに対して対称
位置に設けられ、検出コイル１６Ａ，１６Ｂは第２のト
ーションバー６Ｂに対して対称位置に設けられそれぞれ
対をなしている。そして、一対の検出コイル１５Ａ，１
５Ｂは、外側可動板５Ａの変位角を検出するもので、平
面コイル７Ａに駆動電流に重畳して流す検出用電流に基
づく平面コイル７Ａと検出コイル１５Ａ，１５Ｂとの相
互インダクタンスが、外側可動板５Ａの角度変位により
変化し、この変化に応じた電気信号を出力する。この電
気信号によって外側可動板５Ａの変位角が検出できる。
一対の検出コイル１６Ａ，１６Ｂは同様にして内側可動
板５Ｂの変位角を検出するものである。

【００４３】次に動作を説明する。

【００４４】外側可動板５Ａの平面コイル７Ａに駆動電
流を流せば、第１のトーションバー６Ａ，６Ａを支点と
して外側可動板５Ａが電流方向に応じて回動し、この際
に内側可動板５Ｂも外側可動板５Ａと一体に回動する。
この場合、ミラー８は、関連技術例１と同様の動きとな
る。一方、内側可動板５Ｂの平面コイル７Ｂに駆動電流
を流せば、外側可動板５Ａの回動方向と直角方向に、外
側可動板５Ａに対して内側可動板５Ｂが第２のトーショ
ンバー６Ｂ，６Ｂを支点として回動する。従って、例え
ば平面コイル７Ａの駆動電流を制御して、外側可動板５
Ａを１周期回動操作した後、平面コイル７Ｂの駆動電流
を制御し内側可動板５Ｂを一定角度変位させるように
し、この操作を周期的に繰り返せばミラー８の光軸を２
次元に振ることができ、監視対象を２次元に走査でき
る。

【００４５】なお、本関連技術例のように、ミラー８の
上方にガラスが存在する場合にはこのガラス面に反射防
止膜等を被覆しておくと良い。

【００４６】一方、平面コイル７Ａ及び平面コイル７Ｂ
に流す各駆動電流に重畳させて、検出用電流を流せば、
検出コイル１５Ａ，１５Ｂと平面コイル７Ａ間及び検出
コイル１６Ａ，１６Ｂと平面コイル７Ｂの相互インダク
タンスにより関連技術例１と同様の原理で、外側可動板
５Ａの変位は例えば図４と同様の回路を介して検出コイ
ル１５Ａ，１５Ｂの差動出力によって検出することがで
き、内側可動板５Ｂの変位検出コイル１６Ａ，１６Ｂの
差動出力によって検出することができ、この差動出力を
外側可動板５Ａ及び内側可動板５Ｂの各駆動系にフィー
ドバックさせれば、外側可動板５Ａ及び内側可動板５Ｂ
の変位を精度よく制御することが可能となる。なお、言
うまでもないが、本関連技術例の２軸のガルバノミラー
の場合は、図４と同様の回路を、外側可動板変位検出用
と内側可動板変位検出用として２つ設けるものである。

【００４７】かかる関連技術例２の構成によれば、関連
技術例１と同様の効果に加えて、監視対象の走査が２次
元的に行え、走査領域を関連技術例１の１軸の場合に比
べて増大させることができる。また、可動板５の揺動空
間を、上下のガラス基板３，４と周囲のシリコン基板２
とによって密閉するので、この密閉空間を真空状態とす
ることにより、可動板５の回動動作に対する空気抵抗が
なくなり、可動板５Ａ，５Ｂの応答性が向上するという
効果を有する。

【００４８】更に、平面コイル７Ａ，７Ｂに流す駆動電
流を大きくして可動板５Ａ，５Ｂの変位量を大きく設定
する場合には、密閉した可動板揺動空間内を真空とせ
ず、ヘリウム，アルゴン等の不活性ガスを封入するのが
望ましく、特に熱伝導性の良いヘリウムが好ましい。こ
れは、平面コイル７に流す電流量を大きくすると平面コ
イル７からの発熱量が多くなり、可動板５Ａ，５Ｂ周囲
が真空状態では可動板からの放熱が悪くなるので、不活
性ガスを封入することによって可動板５Ａ，５Ｂからの
放熱性を真空状態に比べて高め熱影響を低減させること
ができる。なお、不活性ガスを封入することで、可動板
５Ａ，５Ｂの応答性に関しては、真空状態に比べて多少
低下することになる。

【００４９】なお、前述の関連技術例１の上下のガラス
基板を、関連技術例２と同様の凹部を設ける構造として
可動板部分を密閉構造としてもよいことは言うまでもな
い。

【００５０】（関連技術例３）図８，図９，図１０は、
関連技術例３である“ガルバノミラー”の構成を示す図
である。

【００５１】本関連技術例は、関連技術例２と同様の２
軸の例である。なお、関連技術例２と同一要素には同一
符号を付して説明を省略する。

【００５２】本関連技術例の２軸のガルバノミラー３１
は、前述した関連技術例２と略同様の構成であるが、本
関連技術例では、図８〜図１０に示すように、上下のガ
ラス基板３，４が、関連技術例２のものとは異なり、凹
部３Ａ，４Ａのない平板上なっている。そして、上側ガ
ラス基板３には、可動板５上方部分に可動板５の形状に
応じて角状の開口部３ａを設け、ミラー８上方の部分を
開放状態としてレーザ光が直接ミラー８に入射できるよ
うにしてある。そして、上下のガラス基板３，４が平板
状としてあるため、中間のシリコン基板２を上下に別の
シリコン基板を積層して３層構造とし、その中間層に可
動板５を形成することで可動板５の回動スペースを確保
するようにしてある。

【００５３】また、図８に破線で示すように、下側ガラ
ス基板４の下面に、外側可動板５Ａの変位検出用の検出
コイル１５Ａ，１５Ｂ及び内側可動板５Ｂの変位検出用
の検出コイル１６Ａ，１６Ｂが、対応する平面コイル７
Ａ，７Ｂと電磁結合可能な位置にパターニングされて設
けられている。

【００５４】かかる構成の本関連技術例の動作，効果
は、関連技術例２と同様であり、説明を省略する。

【００５５】（変形）関連技術例２では直線的に走査し
ているが、対象によっては同心円状，らせん状，あるい
はリサージュ図形状に走査することができる。

【００５６】また、各関連技術例では、可動板の中央部
をトーションバーで軸支しているが、これら限らず、可
動板の端部たとえば図３における可動板５の右辺部を軸
支する形で実施することができ、この場合、左辺側に１
個の検出コイルを設けて変位角を検出することになる。

【００５７】また各関連技術例では、可動板に設けた平
面コイルに駆動電流と検出用電流を流しているが、駆動
電流の周波数が数キロヘルツと高いときは駆動用電流を
検出用電流に兼用し、検出用電流を重畳しない形とする
ことができる。

【００５８】また各関連技術例では、２個の検出コイル
の出力の差により変位角を検出しているが、１個の検出
コイルを設けその出力により変位角を検出する形とする
ことができる。

【００５９】（ＰＳＤ）ＰＳＤは、フォトダイオードの
表面抵抗を利用した光スポット位置検出センサであり、
ＣＣＤなどと異なる非分割型の素子なので、連続した電
気信号（Ｘ，Ｙ座標信号）が得られ、位置分解能，応答
性に優れている。

【００６０】このＰＳＤは、図１１に示すように、光
（スポット）が入射すると、入射位置に光エネルギに比
例した電荷が発生する。発生した電荷は光電流Ｉ_O とし
て表面抵抗層を通り電極より出力される。抵抗層は全面
均一の抵抗値を持つように作られているので、光電流Ｉ
Ｏは電極までの距離（抵抗値）に逆比例して分割され取
り出され、この光電流の比Ｉ１／Ｉ２により、入射光エ
ネルギとは無関係に（４），（５）式より入射位置を求
めることができる。

【００６１】このＰＳＤは、１次元位置検出用と、２次
元位置検出用の２種類に分けられ、さらに２次元位置検
出用は構造により表面分割型と両面分割型に分けられ
る。両面分割型は位置検出誤差，分解能に優れている。
これらのＰＳＤはたとえば浜松ホトニクス株式会社から
入手できる。この浜松ホトニクス株式会社のＰＳＤを関
連技術４〜６として、そのパンフレットに基づいて説明
する。

【００６２】（関連技術例４）図１２は関連技術例４で
ある１次元ＳＰＤの説明図である。（ａ）は概略的構成
を示し、（ｂ）は等価回路を示す。このＰＳＤは、Ｃ_j
とＲ_p の分布回路を持っているため、この時定数が応答
波形を決める要素になる。しかし、位置信号積分回路を
用いることで、パルス幅数１００ｐｓのレーザ光の位置
検出にも利用できる。

【００６３】（関連技術例５）図１３は表面分割型ＰＳ
Ｄの説明図で、（ａ）は概略的構成を示し、（ｂ）は等
価回路を示す。

【００６４】図示のように、フォトダイオードの表面に
４つの電極を付けた構成のものである。光電流は同一抵
抗層で４分割され位置信号として出力される。両面分割
型に比べ周辺部での歪が大きくなるが、バイアス印加が
容易なうえ、低暗電流，高速応答などの特徴を持ってい
る。

【００６５】（関連技術例６）図１４は両面分割型ＰＳ
Ｄの説明図で、（ａ）は概略的構成を示し（ｂ）は等価
回路を示す。

【００６６】図示のように、フォトダイオードの表面と
裏面の両面に電極を付けた構成のものである。等価回路
から明らかなように、各位置信号（光電流）は、２つの
抵抗層で２分割されるだけですから位置検出能力（位置
検出誤差，分解能）が優れている。

【００６７】

【実施例】以下本発明を実施例により詳しく説明する。

【００６８】（実施例１）図１は、実施例１である“２
次元走査型寸法測定装置”の概略的構成を示す図であ
る。図において、１０１は２次元走査（２次元偏向）の
できる関連技術例２，３に示すような２次元ガルバノミ
ラーであり、１０３は光スポット位置を２次元で検出で
きる関連技術例５，６に示すようなＰＳＤである。

【００６９】１０２は、コリメータレンズで、２次元ガ
ルバノミラー１０１のミラー上の焦点から入射したレー
ザービーム１１０をその光軸に平行のレーザービームで
ある走査ビーム１１１に屈折する。１０４，１０７はＰ
ＳＤの出力を所要のレベルまで増幅する増幅器、１０
５，１０８はアナログ−デジタル変換器、１０６は所要
の演算を行うマイクロコンピュータである。

【００７０】図示のように、コリメータレンズ１０２と
ＰＳＤ１０３の間に被測定物１１２を置き、２次元ガル
バノミラー１０１により走査ビーム１１１を振って走査
すると、被測定物１１２で遮られなかった走査ビーム１
１１がＰＳＤ１０３の検出面に達し、その位置に応じた
Ｘ軸データ，Ｙ軸データがＰＳＤ１０３から出力され
る。このＸ軸データ，Ｙ軸データを増幅器１０５，１０
８により所要のレベルまで増幅し、Ａ−Ｄ変換器１０
５．１０８によりデジタルデータに変換し、マイクロコ
ンピュータ１０６に入力して演算することにより、被測
定物１１２のＰＳＤ１０３への投影形状１１３における
各部の寸法を求めることができる。またこの各部の寸法
により投影面積を求めることができる。

【００７１】ここで、ＰＳＤの測光面が１０mm×１０mm
で、Ａ−Ｄ変換出力が８ビットであれば、２５６ドット
×２５６ドットで最小目盛は４０μｍとなる。１２ビッ
トであれば最小目盛２．４μｍとなる。

【００７２】本実施例におけるＰＳＤの検出位置毎の誤
差は固有の値となるので、この誤差を予め測定しメモリ
に入れておき、寸法測定時にこのメモリ内容により補正
することにより、より正確な寸法測定が可能となる。

【００７３】以上説明したように、本発明によれば、高
価なポリゴンミラー，等速回転駆動装置を用いることな
く、安価で小型のガルバノミラーを用いて、正確な２次
元寸法を求めることのできる２次元走査型寸法測定装置
を提供することができる。 （実施例２）図２は実施例２である“２次元走査型寸法
測定装置”の構成を示す図である。増幅器，Ａ−Ｄ変換
器，マイクロコンピュータ部は実施例１と同様であり、
図示を省略している。

【００７４】本実施例では、図示のように、コリメータ
レンズを用いることなく、２次元ガルバノミラー１０１
の反射光１１１で直接被測定物１１２を走査している。

【００７５】本実施例では、２次元ガルバノミラー１０
１の反射点を点光源として被測定物１１２を照射する
（走査）する場合と等価であり、ガルバノミラー１０１
と被測定物１１２の前面との距離ｆ１とし、ガルバノミ
ラー１０１とＰＳＤ１０３の検出面との距離をｆ１＋ｆ
２とすると、被測定物の投影像１１３の寸法は、被測定
物１１２の寸法の（ｆ１＋ｆ２）／ｆ１倍となる。

【００７６】たとえば、ＰＳＤの測光面が１０mm×１０
mm、Ａ−Ｄ変換が８ビット、（ｆ１＋ｆ２）／ｆ１＝１
０であれば最小目盛は４μｍとなる。

【００７７】以上説明したように、本実施例によれば、
高価なポリゴンミラー，等速回転駆動装置，コリメータ
レンズを用いることなく、安価で小型の２次元ガルバノ
ミラーを用いて、正確な２次元寸法を求めることのでき
る２次元走査型寸法測定装置を提供することができる。

【００７８】（実施例３）以上の各実施例は、２次元の
寸法を測定するものであるが、本発明はこれに限らず、
１次元の寸法を測定する形で実施することができる。

【００７９】この際、実施例１，実施例２における、２
次元ガルバノミラー１０１のかわりに関連技術例１（図
３参照）のガルバノミラーを用い、２次元ＰＳＤのかわ
りに関連技術例４（図１２参照）の１次元ＰＳＤを用い
る。

【００８０】本実施例によれば、高価なポリゴンミラ
ー，等速回転駆動装置を用いることなく、正確な１次元
寸法を求めることのできる１次元走査型寸法測定装置を
提供することができる。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
安価で小型の走査型寸法測定装置を提供することができ
る。さらに、請求項３，請求項４記載の発明によれば、
正確な２次元寸法を求めることのできる走査型寸法測定
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１の構成を示す図

【図２】 実施例２の構成を示す図

【図３】 関連技術例１の構成を示す図

【図４】 図３のＡ−Ａ断面図

【図５】 関連技術例１の動作説明図

【図６】 関連技術例１における可動板の変位角検出の
説明図

【図７】 関連技術例２の構成を示す図

【図８】 関連技術例３の構成を示す図

【図９】 図８のＢ−Ｂ断面図

【図１０】 図８のＣ−Ｃ断面図

【図１１】 ＰＳＤの光入射位置検出の説明図

【図１２】 １次元ＰＳＤの説明図

【図１３】 表面分割型ＰＳＤの説明図

【図１４】 両面分割型ＰＳＤの説明図

【図１５】 従来例の構成を示す図

【符号の説明】

１００ 半導体レーザ １０１ ２次元ガルバノミラー １０３ ＰＳＤ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザビーム発生手段と、このレーザー
   ビーム発生手段からレーザービームを受けて偏向するガ
   ルバノミラーと、このガルバノミラーからのレーザービ
   ームを受けてその入射位置を検出する光入射位置検出手
   段とを備え、前記ガルバノミラーと前記光入射位置検出
   手段との間に被測定物を配置しこの被測定物の寸法を測
   定する走査型寸法測定装置。
2. 【請求項２】 ガルバノミラーで偏向されたレーザービ
   ームを平行光線とするコリメータレンズを備えたことを
   特徴とする請求項１記載の走査型寸法測定装置。
3. 【請求項３】 ガルバノミラーは２次元偏向のできる２
   次元ガルバノミラーであり、光入射位置検出手段は２次
   元の光入射位置検出のできる２次元光入射位置検出手段
   であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の
   走査型寸法測定装置。
4. 【請求項４】 ガルバノミラーは、半導体基板に、可動
   板とこの可動板を前記半導体基板に対し揺動自在に軸支
   するトーションバーとを一体に形成し、前記可動板の周
   縁部に駆動コイルを設け、前記可動板上にミラーを設
   け、前記駆動コイルに静磁界を与える磁界発生手段を設
   けて、前記駆動コイルに電流を流すことにより前記ミラ
   ーを駆動するものであることを特徴とする請求項１ない
   し請求項３のいずれかに記載の走査型寸法測定装置。