JPS6337202A - 光学的微小変位測定装置 - Google Patents

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】 し産業上の利用分！’？］ 本発明は、顕ｍ鏡等のＸ−Ｙステージの位お決め機構、
半導体製造装置のステッパーやフーリエ分光器の移動鏡
の位置決め機構等において使用される光学的微小変位測
定装置に関するものである。

［従来の技術Ｊ 光学的微小変位の測定技術の一つとして、Ｈｅ　−Ｎｅ
レーザー等の単色光を光源とした干渉計を利用してサイ
ン波状の干渉縞を像面に形成し、その像面に置いたイメ
ージセンサの出力信号をフーリエ変換して位相項を算出
し、この位相項に基づいて移動鏡の変位をＡｌ１定する
技術が知られている。

［解決すべき問題点］ しかしながら、」−２測定技術によれば、次の問題点が
ある。

ＣＯ像面にサイン波状の干渉縞を作成するためには、ｔ
ｌ　ｅ　−Ｎ　ｅレーザー等の単色光源を使用する必要
があり、装置構成が複雑となり、コスト高を招く。

■また、フーリエ変換実行後、その位相項から目的の変
位１４を算出するアルゴリズムが複雑であり、計算時間
が長くかかる。したがってリアルタイム処理の目的に制
限が加わる。

（２）位相スペクトルから変位量を求める方法を採用し
た場合、波長のｌ／１００以下のオーダの微小変位の測
定がｒＩ（能となるが、従来は単一の波長エレメントし
か使用していないので、１１１１定精１■の信頼性に欠
ける。

本発明は、Ｉｎ記問題点を解決するものであり、測定調
整が容易で、簡便な光源を使用しうる光学的微小変位測
定袋とを提供することを目的とするものである。

Ｅ問題点の解決手段］ 上記問題点を解決するため１本願第１発明に係る光学的
微小変位測定装置は、次の５つの構成要件からなる。

■白色光源があること。

「白色光源」とは、単色光源に対する意で、例えば特定
波長域で連続スペクトルを有する光源でもよい。

■その白色光を受け光路差を変数とするセンターへ−ス
トを有するインターフェログラムを像面に空間的に作成
する２光束干渉計があること。

■該インターフェログラムの横断方向に多数の光電変換
部を有するイメージセンサがあること。

■該光路差を付与する光学要素の変位前及び変位後の該
イメージセンサの光電変換部のうちピーク値を出力する
光電変換部の順番を判別する手段があること。

（５）両光電変換部の順番の差をとり、その差に基づい
て該センターパーストの変位を求めて、該センターパー
ストの変位と該光路差を付与する反射鏡の傾角の正接と
の積を算出する演算手段があること。

本願第２発明に係る光学的゛微小変位測定装置は、次の
６つの構成要件からなる。

■白色光源があること。

くめその白色光を受け光路差を変数とするセンターパー
ストを有するインターフェログラムを像面に空間的に作
成する２光束干渉計があること。

■該インターフェログラムの横断方向に多数の光電変換
部を有するイメージセンサがあること。

■該光路差をイ１与する光学要素の変位前及び変位後の
白色光インターフェログラムを収集する手段があること
。

■それらインターフェログラムをフーリエ変換する手段
があること。

■夫々のフーリエ変換した結果の実部の項及び虚部の項
を用いて、各波数エレメント４１ｆ：に位相を求め、変
位前後の位相スペクトルの差から各波数エレメント毎の
変位量を算出し、それらを統計処理して最終的な変位量
を求める演算手段があること。

「実施例］ 次に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は、本願第１発明に係る光学的微小変位測定装置
の一実施例を示すブロック図である。

ｌは白色光源で、小型電球又は発光ダイオード等の特定
波長域で連続スペクトルを有する光源である。２０は固
定反射鏡２６を微小角０だけ傾けたマイケルソン干渉計
で、白色光源１に対して受光立体角を制限するアパーチ
ャー２１と、入射光束を平行光束にするコリメータレン
ズ２２と、平行光束を振幅分割して２光束に分離するビ
ームスプリッタ２３と、一方の光路において変位を７１
１１１定すべき移動体２４に垂直に取イ１けた移動反射
鏡２５と、他方の光路において光軸の垂直方向に対して
傾角０をもたせて設けられた固定反射鏡２６と、両光束
によって固定反射鏡２６の近傍に局在化した干渉縞を結
像する結像レンズ２７とから構成されている。

ところで、移動反射鏡２５で反射した光束と固定反射鏡
２８で反射した光束はビームスプリッタ２３で重ね合わ
され、像面には光路差を変数とするインターフェログラ
ム（干渉光の強度パターン）が空間的に作成されるが、
光源が単色光の場合にはサインカーブ的な干渉縞のパタ
ーンであるのに対し、本実施例のように光源に各種波長
が含まれている場合には、各種波長のサインカーブ的な
干渉縞が線型に重ね合わされる結果、第２図に示すよう
に、インターフェログラムは光路差零でセンターバース
ト（ピーク値）を有しその左右に振動減衰する干渉縞の
パターンとなる。

ここで、今、移動体２５即ち移動反射鏡２５が右方向へ
変位ｆ１．ｄだけ変位したとする。変位前のセンターバ
ーストの位置をＬｌとし、変位後のセンターバーストの
位置をＬ２とすると、センターバーストは右方向へ変位
１Ｌ＝Ｌ２−Ｌｌの変位を行なう。したがって、センタ
ーへ−ストの変位方向を測定することにより、移動反射
鏡２５の変位方向を識別できる。移動反射鏡２５の変位
量ｄとセンターバーストの変位量りとの間には、センタ
ーバースト位置は光路差零になる場合であるから、次の
式が成立する。

ｄ−ｔａｎＯ・Ｌ　　　　　　　　　　　・・・（１）
ここで、目印としてのセンターバーストの変位量りを測
定することにより、既知の傾角０の正接と変位量りとの
積を以って移動反射鏡２５の変位量ｄを決定できること
になる。傾角０を微調整した場合には、移動反射鏡２５
の変位量ｄの測定領域を可変することができ、傾角０は
スケールツクターとしての意義がある。したがって、広
範囲の測定領域における変位測定が可能となる。

次に、干渉計２０の像面にはインターフェログラムの横
断方向に多数の光電変換部を有するイメージセンサ３０
が設けられている。イメージセンサ３０は所定の周期毎
に順次その光電変換部を走査してインターフェログラム
の強度分布をシリアル信号として出力するもので、例え
ば自己走査型のフォトダイオードアレー等が用いられる
。３１はプリアンプで、イメージセンサ３０の出力信号
を増幅するものである。３２はアナログ／ディジタル変
換器で、そのインターフェログラムの増幅アナログ信号
をディジタルへ変換して出力するものである。

４０は信号処理部で、ディジタル化されたインターフェ
ログラムのデータを処理し、移動反射鏡２５の変位の算
出に利用される。この信号処理部４０の機能を破線内に
各ブロックとして示した。

まず、変位前のインターフェログラムはイメージセンサ
３０上に第２図（Ａ）に示す強度分布をもつ、今、その
センターバーストの位置が左からｉ番目の光電変換部に
あるとすれば、変位前ピーク値判別手段４１がこのｉ番
目の光電変換部を判別する。具体的には、変位前のイン
ターフェログラムの強度信号をそのイメージセンサ３０
の光電変換部の順番毎に対応させたアドレス番に一旦格
納し、各アドレス番のうち最大の内容を有するアドレス
番（＝ｉｉ番目を記憶する。次に、変位後におけるセン
ターバーストの位置が左からｊ番［１の光電変換部にあ
るとすれば、スイフチＳＷＩを切科え、ピーク値判別手
段４２がこの１番１１の光電変換部を判別する。なお、
かかる光電変換部の判別は、時分割で実行できるから、
弔−のビーク値’ｒＩｌ別り段で実現できる。演算手段
４３は、ｉ番と１番１１の差をとり、この差（ｉ−ｊ）
と外部から人力されるイメージセンサ３０の光電変換部
のピッチＰとに基づいて、センターバース］・の変位（
ｉ−Ｊ）Ｐを算出し、外部から入力される傾角０からｔ
ａｎ（７を算出し、しかる後、ｔａｎ　Ｏ（ｉ　　　ｊ
）Ｐを算出して、これを出力装置４４へ出力する。（ｉ
−ｊ）の正の場合は右方向の変位を、負の場合は左方向
の変位を表わしており、その絶対値は変位量（移動量）
を表わしている。ただし、ここでは結像レンズ２７の倍
率は簡単のために１としであるが、一般にその倍率をｋ
とした場合には、」二記演算結果にｋを掛ければよい。

第３図は、本願第２発明に係る光学的微小変位Ｊｌｌｌ
定装首の一実施例を示すブロック図である。この実施例
は、傾角Ｏを測定することなしに変位を高精度で測定す
るものである。なお、第３図中、第１図に示す部分と同
一の部分には同一参照符号を付してあり、その説明を省
略する。

まず、測定原理を説明するに、今、白色光源１に含まれ
ているある１つの単色光の波数を６゜とすると、像面に
形成されるサインカーブ的な干渉縞の強ＪＩＧ（ｘ）は
、 Ｇ　（ｘ）　＝ｂ　（ｄ。）　ｃｏｓ　　（２πｆ、ｘ
　＋　５’　Ｃｄ、）　）＋ａ　　　　　　　　　　　
・・・（２）ここで、ａ；直流バイアス成分、ｂ（σ）
；白色光源１のスペクトル、ｆｏ；干渉縞の空間周波数
、Ｃｆ（（（、）；波数ｄ。に対応する位相項、Ｘ；イ
メージセンサ３０の走査位置でイメージセンサ３０（７
）　中央を０とする。

また、干渉縞の空間周波数ｆと傾角θとの間には次式が
成立する。

ｆｏ＝　　２Ｊ、ｔａｎ　Ｏ−（３） よって、（２）式に（３）式を代入すると、Ｇ　（ｘ）
　＝　ｂ　（６ｏ）　ｃｏｓ　　（４ｑＪ、ｔａｎ　Ｏ
ａ　ｘ＋ｐて））　＋　ａ　　　　・・・（４）したが
って、白色光源ｌの全波数についての干渉縞の強度Ｌ　
（ｘ）即ちインターフェログラムは、重ね合せにより、 Ｌ　　（Ｘ）　　＝　ｆ　　［ｂ　　（、［）　ｃｏｓ
　　（４π（：ｊｔａｎ　　Ｏ◆ｘ＋　ＣｆＣ（ｆ）ｌ
　＋　ａ］　＃’　　・（５）この交流項をＩ　（ｘ）
とおくと、 Ｉ　　（ｘ）　　＝ｆｂ　　（ご）　ｃｏｓ　　（４π
ｄｔａｎ　　Ｏｅ　ｘ＋ｆ（グ））ｄど　　　　・・・
（Ｂ）ｂ（ｄ）を偶関数と奇関数の成分に分けると、ｂ
（（ｊ）−ｂｅ（（Ｉ５’）＋ｂ、（ｄ）　　　　・−
（７）（７）式を（６）式に代入して整理すると、Ｉ　
（ｘ）　＝、Ｌ　ｂ、（ｄ　）　ｅｘｐ　　（ｊ　Ｃｆ
（ｄ　）　ＩＸｅｘｐ　　（ｊ　４πｔａｎ　Ｏｅ　ｘ
ｃｆｌ　ｄ４ｊ＝　１＝　　　　　　　　　　　　　　
　・・・（８）ここで、ｂｅ（Ｊ）を新たに白色光源ｌ
のスペクトルＢ（６）とおき、４πｔａｎＯ＊ｘ＝Ｘと
おくと、 Ｉ Ｔ　　（Ｘ）　＝　ｆ　Ｂ　（１）　ｅｘｐ　　（ｊ　
（−ｆｃＯ”）　ＩＸ　ｅｘｐ　　（ｊ　Ｘｄ　　）　
　ｄｌ　　　　　　　　−（９）（８）式より、Ｂ　（
ｄ）　Ｅ！ＩＰ　　（ｊ　ｆＣと））は、ｉ　（Ｘ）の
逆フーリエ変換で与えられることが分るから、 ここで、Ｃ（６′）　＝ｆ　Ｉ　（Ｘ）　ｃｏｓ　　（
ごＸ）ｄＸ−二 Ｓ　　Ｃｄ　）　　＝ｆ　Ｉ　　（Ｘ）　　ｓｉｎ　　
（ごＸ）ｄＸとおくと、（１０）式は、 Ｂ　Ｃｄ　）　ｃａｓ（ｆｃ（ｆ）　＋　ｊ　Ｂ　（ｄ
）ｓｉｎｔｆ（Ｊ　）＝Ｃ（Ｊ）−ｊＳ（と）　　　　
　　　・・・（１１）よッテ、ｔａｎｙ）（Ｊ　）　−
−Ｓ　Ｃｄ　）　／　ＣＣｔｊ　）１！０ち、位相項ｆ
（ご）は、 ヅ（ｄ　）　−ｔａｎ　（−３（グ）　／Ｃ（Ｊ　）　
）　・（１２）ところで、変位量ｄと位相項（−ｆ（グ
）の間には次式が成立している。

′−ｆ（ご）＝４πｄご　　　　　　　　・・・（１３
）（１２）式及び（１３）式より、 ｄ（ど） に決定されるはずであるが、イメージセンサ３ｏの光電
変換部の感度のバラツキ等の理由により、すべての波数
ｄ、について一義的とはならない。そこ毛 で、各波数エレメント毎に変位量ｄ−を求める。

を 仮に、白色光源ｌがＮ個の波数エレメントがらなり、一
様な強度を有じていると考える場合には、各変位量へ　
の相加平均をとることによって、ＳＩＮ比（標準偏差）
はＦ「に比例して改善されることとなる。精密な統計処
理として、白色光源ｌの分光特性を考慮した場合、ＬＴ
；７で与えられるパワースペクトルを求め、その各波数
エレメント毎の強度分布を考慮し、重みつき平均をとる
。

測定装置につき説明するに、第３図に示す信号処理部５
０の収集手段５１が変位前のインターフェログラムを収
集する。収集手段５１は一種の記憶装置で、イメージセ
ンサ３０の光電変換部の個数に相当するアドレス数を有
する。フーリエ変換手段としての周波数分析器５３は変
位前のインターフェログラムにフーリエ変換を施し、演
算装置５５により、フーリエ変換した結果の実部の項及
び虚部の項を用いて、第４図（Ａ）に示すようなパワー
スペクトル（振幅スペクトル）ＡＩと、第４図（Ｂ）に
示すような位相スペクトルＰ１が求められる。今、基準
点をイメージセンサ３０の中央にとっであるので、位相
スペクトルＰＩは測定領域ぺ〜４の間で０となっている
。もつとも基準点の位置は任意でよい。次に、変位後に
おいてスイッチＳＷ２を切替え、収集手段５２が変位後
のインターフェログラムを収集し、周波数分析器５４は
これにフーリエ変換を施し、演算装置５５により、フー
リエ変換した結果の実部の項及び虚部の項を用いて第４
図（Ａ）に示すようなパワースペクトルＡ２と、第４図
（Ｂ）に示すような位相スペクトルＰ２が求められる。

パワースペクトルは白色光源ｌの分光特性によるため、
パワースペクトルＡ１とＡ２は重なっている。なお、か
かるインターフェログラムの収集及びフーリエ変換は、
時分割で実行できるから、単一の収集手段及び周波数分
析器で実現できる。次に、演算装置５５は変位前後の位
相スペクトルの差から各波数エレメント（σの変位量を
算出し、それらを統計処理して最終的な変位量を出力装
置５８に供給する。すなわち、変位前の位相スペクトル
位相Ｐ１と変位後のスペクトルＰ２の差が変位に伴なう
位相項（ｆｃｄ）であるから、 （１３）式、ｄ＝Ｌｆ（０／）／４πｄを用いて、パワ
ースペクトルＡ１とＡ２を考慮して１重みつき平均が算
出される。

かかる装置によれば、最も条件が良い場合には波数エレ
メント数及びイメージセンサ３０の光電変換部数の平方
根に比例してＳ／Ｎ比が改善され、波長の１７１ＯＯ以
下のオーダの高精度の変位７ＩＩＩＩ定が可能となる。

かかる変位ｄの算出では、白色光源１から発せられるす
べての波数エレメントを用いるため、フーリエ変換の演
ηには高速フーリエ変換（ＦＦＴ）のアルゴリズムが用
いられる。しかしながら、波数エレメントを数個に限定
した場合には、計算時間の観点から＃ｌ：散的ノーリエ
変換（ＤＦＴ）を用いることが望ましい。

［発明の効果］ 以−に説明したように、本願第１発明に係る光学的微小
変位測定装置は、インターフェログラムのインターバー
ストを目印として、その変位を測定する点に特徴を有す
るものである。インターバーストの変位前の位置と変位
後の位置は容易に測定できるから、単色光による干渉縞
の変位を測定する場合に比し、測定調整が簡単となり、
しかもインターフェログラムを作成するためには簡素な
光源を使用できるから、光源に制約されずに、装置構成
が簡素なものとなる。また、傾角θを可変することによ
り測定領域も広くとれるという効果がある。イメージセ
ンサ−の使用によりインターフェログラムを電気信号と
して瞬時に処理することが可能であるから、はとんどリ
アルタイムで変位を測定でき、移動体に対する制御等が
容易となり、顕微鏡等のＸ−Ｙステージの位置決め機構
。

半導体製造装置のステッパー、フーリエ分光器の動鏡の
位置決め機構等における適用が容易である。

本願ＦｔＥＪ２発明に係る光学的微小変位＾ＩＩＩ定装
置は、各種波数ニレメントイσの位相から変位を゛測定
するものであり、その変位量は波数エレメントの個数だ
け算出でき、筒中な統λ１処理を施すことにより精度の
高い変位量を求めることができる。また、本願第１発明
と同様に、Ｈｅ−Ｎｅレーザー等の単色光源でなく、イ
ンターフェログラムを作成するための簡便な光源を使用
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本願第１発明に係る光学的微小変位測定装置
の一実施例を示すブロック図である。 第２図（Ａ）　　、　（Ｂ）は、同実施例における変位
前のインターフェログラムと変位後のインターフェログ
ラムを示す波形図である。 第３図は、本願第２発明に係る光学的微小変位測定装置
の一実施例を示すブロック図である。 第４図（Ａ）　　、　（Ｂ）は、同実施例におけるイン
ターフェログラムのパワースペクトルと位相スペクトル
を示すグラフ図である。 １・・・白色光源、２０・・・固定反射鏡を傾けたマイ
ケルソン干渉計、θ・φ・固定反射鏡２Ｂの傾角、２５
・争φ移動反射鏡、２８・・・固定反射鏡、３０１１１
１０イメージセンサ−１３１・・・プリアンプ、３２・
・・アナログ／ディジタル変換器、４０．５０・・・信
号処理部、４１．４２・・拳判別手段、４３．５５・・
・演算手段、４４　、５８・・・出力装置、５１．５２
・・・収集手段、５３．５４・・ψ周波数分析器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）白色光源と、その白色光を受け光路差を変数とす
   るセンターバーストを有するインターフェログラムを像
   面に空間的に作成する２光束干渉計と、該インターフェ
   ログラムの横断方向に多数の光電変換部を有するイメー
   ジセンサと、該光路差を付与する光学要素の変位前及び
   変位後の該イメージセンサの光電変換部のうちピーク値
   を出力する光電変換部の順番を判別する手段と、両光電
   変換部の順番の差をとり、その差に基づいて該センター
   バーストの変位を求めて、該センターバーストの変位と
   該光路差を付与する反射鏡の傾角の正接との積を算出す
   る演算手段と、からなることを特徴とする光学的微小変
   位測定装置。
2. （２）白色光源と、その白色光を受け光路差を変数とす
   るセンターバーストを有するインターフェログラムを像
   面に空間的に作成する２光束干渉計と、該インターフェ
   ログラムの横断方向に多数の光電変換部を有するイメー
   ジセンサと、該光路差を付与する光学要素の変位前及び
   変位後の白色光インターフェログラムを収集する手段と
   、それらインターフェログラムをフーリエ変換する手段
   と、夫々のフーリエ変換した結果の実部の項及び虚部の
   項を用いて、各波数エレメント毎に位相を求め、変位前
   後の位相スペクトルの差から各波数エレメント毎の変位
   量を算出し、それらを統計処理して最終的な変位量を求
   める演算手段と、からなることを特徴とする光学的微小
   変位測定装置。