JP2002213914A - 共焦点原理の単位変位センサを用いた超精密変位測定器及び多様な変位測定方法 - Google Patents

共焦点原理の単位変位センサを用いた超精密変位測定器及び多様な変位測定方法

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JP2002213914A
JP2002213914A JP2001190834A JP2001190834A JP2002213914A JP 2002213914 A JP2002213914 A JP 2002213914A JP 2001190834 A JP2001190834 A JP 2001190834A JP 2001190834 A JP2001190834 A JP 2001190834A JP 2002213914 A JP2002213914 A JP 2002213914A
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lens
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權大甲
Jung Woo Seo
徐正祐
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】構成が易くて装備具現が低価であり、卓越した
分解能を有した、共焦点原理の単位変位センサを用いた
超精密変位測定器及び直線、または回転変位を検出する
変位測定方法に関する。 【解決手段】光源から発散された光線を一定の大きさの
スリット、またはピンホールに投光させる投光レンズ２
６と；前記スリット、またはピンホールを通過した光線
を平行させる平行光レンズ２８と；前記平行光レンズ２
８と変位測定対象物との間に配置された対物レンズ３０
と；前記投光レンズ２６で反射された光線を波長別に分
割する光分割器３２と；及び前記光分割器３２を通過し
た光線の光強度を検出する光検出器３４とを含んだ単位
変位センサ２０を備え、前記光検出器３４で検出される
光信号が常に最大を維持することができるように前記単
位変位センサ２０を微細移送させるための駆動手段とを
さらに備えたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は関心対象物の変位を
数十ナノメートルの位置精密度で測定する測定機器に関
し、特に、他の変位検出装置に比べて構成が易くて装備
具現が低価であり、卓越した分解能を有して他の測定装
備に比べ、非常に大きい共焦点原理の単位変位センサを
用いた超精密変位測定器に関する。また、本発明は共焦
点原理を用いた単位変位センサを用いて直線、または回
転変位を検出する変位測定方法に関する。
【０００２】従って、本発明は、半導体工程のリソグラ
フィー（lithography）にウェハー（wafer）移送／整列
（align）装備のような超精密位置決定機構の測定セン
サとして用いられ、その他にも工作機械、精密光学機器
の移送装置、高密度貯蔵媒体などの精密位置制御のため
のセンサなどとして用いられる。また、本発明は超精密
変位測定のために使用される光干渉計とか、静電容量セ
ンサなどを取り替えることができる装置に関するもので
もある。
【０００３】
【従来の技術】従来、変位検出装置のうちの一つとし
て、静電容量センサ（Capacitive displacement measur
ement）がある。これは二つの平板間の間隔変化による
電荷流れの変化を用いた超精密変位センサである。この
装置は回路部のノイズ量が、つまり、位置分解能である
といえる程度に非常に精密であるが、測定できる距離が
小さく、振動に非常に敏感であって高価であるという問
題点がある。
【０００４】他の変位検出装置として、光ディスクを使
用したエンコーダ（Encoder usingoptical disk）があ
る。この装置は関心対象の回転変位を測定するセンサで
ある。光ディスクの円周方向へ一定の孔を穿ち、これを
透過する光の個数として回転量を得ることになり、これ
は多くのエンコーダが使用している方法である。光ディ
スクの孔の個数に従って分解能が定められ、回転変位測
定分解能の限界を有しているという問題点がある。
【０００５】さらに他の変位検出装置として、光格子セ
ンサ（Optical grating sensor）がある。この装置は格
子（grating）に光を供給すると、光の波長と格子間
隔、入射角などの光学条件により回折される現象を用い
た変位センサである。このような光学条件のうち、格子
の間隔を変えてくれることにより、回折された光の角度
が変わることを用いて格子の直線変位を得ることにな
る。これは間隔を異にする格子等を精密に加工しなけれ
ばならず、回折された光は回折条件に非常に敏感であ
り、その光量も大きい非線形性を有する。即ち、光学計
と格子の相対変化の測定は非常に正確なセットアップが
要求され、位置検出分解能が卓越できないという問題点
がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
従来の技術の諸般的な問題点を解決するためのものであ
って、他の変位検出装置に比べて構成が易くて装備具現
が低価であり、卓越した分解能を有して他の測定装備に
比べ、非常に大きい共焦点原理の単位変位センサを用い
た超精密変位測定器を提供することにある。また、本発
明は共焦点原理を用いた単位変位センサを用いて直線、
または回転変位を検出する変位測定方法を提供すること
にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明は、光源から変位測定対象物に光点を投光
し、投光された光点の移送量として相対的変位を測定す
る機器であって、光源から発散された光線を一定の大き
さのスリット、またはピンホールに投光させる投光レン
ズと；前記スリット、またはピンホールを通過した光線
を平行させる平行光レンズと；前記平行光レンズと変位
測定対象物との間に配置された対物レンズと；前記投光
レンズで反射された光線を波長別に分割する光分割器
と；及び前記光分割器を通過した光線の光強度を検出す
る光検出器とを含んだ単位変位センサを備え、前記光検
出器で検出される光信号が常に最大を維持することがで
きるように前記単位変位センサを微細移送させるための
駆動手段とをさらに備えて達成される。また、本発明に
よると、前記駆動手段は単位変位センサに付着された圧
電駆動機であることを特徴とする。なお、本発明による
と、前記光源、光分割器及び光検出器をレーザーダイオ
ードとフォトダイオードとの一体型から構成したことを
特徴とする。
【０００８】そして、本発明は、光源から変位測定対象
物に光点を投光し、投光された光点の移送量として相対
的変位を測定するための方法であって、光源から発散さ
れた光線を投光レンズを通じて一定の大きさのスリッ
ト、またはピンホールに投光させる段階と；前記スリッ
ト、またはピンホールから投光された光線を平行光レン
ズを通じて平行照射させる段階と；前記平行光レンズか
ら平行照射される光線を対物レンズを通じて変位測定対
象物に照射させる段階と；前記変位測定対象物から照射
されて反射された光線を光分割器で波長別に分割する段
階と；前記波長別に分割された光線の光強度を光検出器
で検出する段階と；前記検出された光信号が常に最大を
維持することができるように前記変位測定対象物の微細
移送を追って相対的に精密移動する駆動手段の変位量を
検出する段階とを含んだことを特徴とする。また、本発
明によると、形状を既に知っている直線形格子を、長行
程を有する前記回転変位測定対象物に付着し、前記単位
変位センサを直線形格子に接近させて直線運動させなが
ら単位変位センサから得た連続された応答周波数の検出
信号として長行程の直線変位を測定する方法からなる。
さらにまた、本発明によると、形状を既に知っている円
周方向格子を回転変位対象物に円周方向へ付着したり、
または回転変位対象物に円周方向へ格子を直接形成さ
せ、前記単位変位センサを円周方向格子に対応接近させ
て単位変位センサから得た連続された応答周波数の検出
信号として回転変位を測定する方法からなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明は、共焦点原理（confocal
theory）を用いたものである。共焦点原理は測定物及
び検出器上の焦点間相関関係を復元することにより、測
定物の情報を得ることができる光学原理である。
【００１０】以下、添付された図面を参照して本発明の
望ましい実施例を詳細に説明する。図１は本発明の第１
の実施例による短行程変位センサを用いた変位測定器を
示している。図面符号２０は単位変位センサであり、図
面符号４０は圧電駆動機であって単位変位センサ２０を
微細駆動させるためのものである。
【００１１】上記単位変位センサ２０は光源２２と、上
記光源２２から発散された光線を一定の大きさのスリッ
ト２４ａ（または、ピンホール）に投光させる投光レン
ズ２６と、上記スリット２４ａを通過した光線を平行さ
せる平行光レンズ２８と、上記平行光レンズ２８と変位
測定対象物１００との間に配置された対物レンズ３０
と、上記投光レンズ２６で反射された光線を波長別に分
割する光分割器（beam splitter）３２と、上記光分割
器３２を通過した光線の光強度を検出する光検出器３４
とを含む。
【００１２】即ち、単位変位センサ２０は光源２２から
発散された光線が投光レンズ２６を通じてスリット２４
ａと平行光直径を調節可能な平行光レンズ２８とを通過
した後、対物レンズ３０を経って変位測定対象物１００
に焦点が結ばれるようにする。
【００１３】変位測定対象物１００で反射された光線は
光分割器３２により分割がなされ、再び光線を集光させ
る投光レンズ２６によって光検出器３４に入り、光強度
が検出される。
【００１４】変位測定対象物１００上の超平面（Ｂ）位
置のように、変位測定対象物１００とスリット２４ａと
に正確に焦点をなすと、スリット２４ａ後方で最大の光
量を得ることになり、その他の場合は焦点を逃れて急激
な光消滅がなされる。
【００１５】変位測定対象物１００が光線の出射方向、
即ち、垂直方向への相対変位を有する時、短行程変位セ
ンサ２０を同じ方向へ駆動させると、同一な最大光量を
得ることができる。
【００１６】従って、検出される光信号が常に最大を維
持することができるように短行程変位センサ２０を圧電
駆動機４０として駆動させ、圧電駆動機（piezoelectri
c actuator）４０の変位を抽出して変位測定対象物１０
０の移動量を極めて精密に測定できる。この時、使用さ
れた圧電駆動機４０は比較的簡単な構造からなってお
り、変位測定対象物１００の焦点方向への動きをナノメ
ートル水準の分解能として検出が可能である。
【００１７】これは光軸方向への短行程変位センサ２０
としての卓越した性能を意味し、数十ナノメートル変位
を卓越した速度で低価具現が可能であるということを表
わす。即ち、スリット２４ａとか、その他のピンホール
が有する口径を使用することにより、一般光学計が有す
る焦点方向への変位に対する敏感度を極大化させること
ができるようになる。
【００１８】一方、光源２２と光検出器３４及び光分割
器３２をレーザーダイオード（laser diode）とフォト
ダイオード（photo diode）との一体型として取り替え
ることにより、非常に単純な構造を具現できる。
【００１９】図２ａ、２ｂは本発明による長行程変位を
測定するための概略図及び変位に従った検出信号線図を
示す。即ち、変位測定対象物１００に直線形格子（grat
ing）５２を付着させ、変位測定対象物１００と格子５
２との間の垂直方向の相対的変位を測定することによ
り、変位測定対象物１００の移動変位量を超精密に測定
できる。
【００２０】即ち、第１の実施例の短行程変位センサ２
０に既に形状を知っている格子５２を付着させることに
より、短行程変位センサ２０が付着された垂直方向へ変
位測定対象物１００が直線運動ガイド１０に沿って移動
することになると、繰り返される形状の連続的な光検出
信号を検出することになり、このような検出信号の極点
をカウンティングして格子周期だけの分解能として測定
物変位を検出することになる。さらに、検出信号の極点
間にも補間法（interpolation）を用いて格子以下の分
解能をもたらすことができる。従って、他の超精密変位
センサ水準以上の優れている分解能を有することができ
るようになる。
【００２１】図３、４は本発明による回転変位測定方法
を示したものであって、円周方向格子板を回転体に付着
して回転変位量を測定するものである。図３は円周方向
格子板５４を回転体２００の前面に設け、円周方向格子
板５４の前面に短行程変位センサ２０が配置され、図２
ｂのように繰り返される検出信号の極点をカウントして
回転変位量を測定する。
【００２２】即ち、形状と間隔とを知っている格子マー
クのあるディスク形態の円周方向格子板５４が回転しな
がら、同じ応答周波数の連続的検出信号を得ることにな
る。このような連続的信号は格子間隔単位で回転変位を
測定でき、一定の形状を有した格子であるため、補間法
が十分に可能であって精密回転変位センサとして可能で
ある。
【００２３】図４は回転体２００の円周面に円周方向格
子板５４を付着したり、または直接回転体に格子形状を
形成させて短行程変位センサ２０として回転変位を検出
できることを表している。
【００２４】
【発明の効果】上述したように、本発明によると、測定
物及び検出器上の焦点間の相関関係を復元することによ
り、測定物の情報を得ることができる光学原理を用いた
短行程変位センサをもって短行程、長行程及び回転体の
変位を精密に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による短行程変位センサ
を用いた短行程変位測定器の概略図。
【図２】図２ａ、２ｂは本発明の第２の実施例による長
行程直線変位測定方法の概略図及び行程変位に従った検
出信号線図。
【図３】本発明の第３の実施例による円周方向格子板を
用いた回転変位測定方法の概略図。
【図４】本発明の第３の実施例による円周方向格子板を
用いた回転変位測定方法の概略図。
【符号の説明】
２０ 単位変位センサ ２２ 光源 ２６ 投光レンズ ２８ 平行光レンズ ３０ 対物レンズ ３２ 光分割器 ３４ 光検出器 ４０ 圧電駆動機
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA06 AA09 DD03 FF10 FF44 GG06 HH13 JJ01 JJ09 JJ18 JJ22 LL04 LL28 LL30 LL46 PP02 PP22 QQ32 QQ51

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光源から変位測定対象物に光点を投光
    し、投光された光点の移送量として相対的変位を測定す
    る機器であって、 光源から発散された光線を一定の大きさのスリット、ま
    たはピンホールに投光させる投光レンズ２６と；前記ス
    リット、またはピンホールを通過した光線を平行させる
    平行光レンズ２８と；前記平行光レンズ２８と変位測定
    対象物との間に配置された対物レンズ３０と；前記投光
    レンズ２６で反射された光線を波長別に分割する光分割
    器３２と；及び前記光分割器３２を通過した光線の光強
    度を検出する光検出器３４とを含んだ単位変位センサ２
    ０を備え、 前記光検出器３４で検出される光信号が常に最大を維持
    することができるように前記単位変位センサ２０を微細
    移送させるための駆動手段とをさらに備えたことを特徴
    とする共焦点原理の単位変位センサを用いた超精密変位
    測定器。
  2. 【請求項２】 前記駆動手段は単位変位センサ２０に付
    着された圧電駆動機であることを特徴とする請求項１に
    記載の共焦点原理の単位変位センサを用いた超精密変位
    測定器。
  3. 【請求項３】 前記光源、光分割器３２及び光検出器３
    ４をレーザーダイオードとフォトダイオードとの一体型
    から構成したことを特徴とする請求項１に記載の共焦点
    原理の単位変位センサを用いた超精密変位測定器。
  4. 【請求項４】 光源から変位測定対象物に光点を投光
    し、投光された光点の移送量として相対的変位を測定す
    るための方法であって、 光源から発散された光線を投光レンズ２６を通じて一定
    の大きさのスリット、またはピンホールに投光させる段
    階と；前記スリット、またはピンホールから投光された
    光線を平行光レンズ２８を通じて平行照射させる段階
    と；前記平行光レンズ２８から平行照射される光線を対
    物レンズ３０を通じて変位測定対象物に照射させる段階
    と；前記変位測定対象物から照射されて反射された光線
    を光分割器３２で波長別に分割する段階と；前記波長別
    に分割された光線の光強度を光検出器３４で検出する段
    階と；前記検出された光信号が常に最大を維持すること
    ができるように前記変位測定対象物の微細移送を追って
    相対的に精密移動する駆動手段の変位量を検出する段階
    とを含んだことを特徴とする共焦点原理の単位変位セン
    サを用いた短行程変位測定方法。
  5. 【請求項５】 形状を既に知っている直線形格子５２
    を、長行程を有する前記回転変位測定対象物に付着し、
    請求項１の単位変位センサ２０を直線形格子５２に接近
    させて直線運動させながら単位変位センサ２０から得た
    連続された応答周波数の検出信号として長行程の直線変
    位を測定することを特徴とする共焦点原理の単位変位セ
    ンサを用いた長行程変位測定方法。
  6. 【請求項６】 形状を既に知っている円周方向格子５４
    を回転変位対象物に円周方向へ付着したり、または回転
    変位対象物に円周方向へ格子を直接形成させ、請求項１
    の単位変位センサ２０を円周方向格子５４に対応接近さ
    せて単位変位センサ２０から得た連続された応答周波数
    の検出信号として回転変位を測定することを特徴とする
    共焦点原理の単位変位センサを用いた回転変位測定方
    法。
JP2001190834A 2001-01-11 2001-06-25 共焦点原理の単位変位センサを用いた超精密変位測定器及び多様な変位測定方法 Pending JP2002213914A (ja)

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